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MIT工程师开发新型磁场探测器的效率提高了1,000倍

MIT工程师开发新型磁场探测器的效率提高了1,000倍

发布时间:2018-05-16    浏览量:10

em麻省理工学院的工程师开发出了一种新型超灵敏磁场探测器,其能效比其前辈高出1000倍。这些检测器可能会导致更好的医疗成像和违禁品检测传感器。 / em

磁场探测器或磁力计已用于所有这些应用。但现有技术有缺点:有些依靠充气室;其他人只能在窄频段工作,限制了他们的实用性。

具有氮空位(NVs)的人造金刚石 - 对磁场极其敏感的缺陷 - 长期以来一直被认为是高效便携式磁力计的基础。一个尺寸约为缩略图二十分之一尺寸的钻石芯片可能包含数万亿个氮空位,每个空位都能够执行自己的磁场测量。

问题一直在汇总所有这些测量。探测氮空位需要用激光照射它,然后吸收并重新发射。发射光的强度携带有关空位磁性状态的信息。

“过去,只有一小部分泵浦光用于激发一小部分NV,”Jamie电子工程和计算机科学Jamieson职业发展助理教授和新设备的设计师之一Dirk Englund说。 。 “我们利用几乎所有的泵浦光来测量几乎所有的NV。”

麻省理工学院的研究人员在最新一期的“自然物理学”上报道了他们的新设备本文的第一作者是电气工程专业的研究生Hannah Clevenson,他由资深作家Englund和麻省理工学院林肯实验室的物理学家Danielle Braje提供咨询。 Englund的学生Matthew Trusheim和Carson Teale(他也是林肯实验室的)以及麻省理工学院电子研究实验室的博士后TimSchröder也加入了他们的行列。

告诉缺席

纯金刚石是碳原子的格子,不与磁场相互作用。氮空位是晶格中缺失的原子,与氮原子相邻。空位中的电子确实与磁场相互作用,这就是为什么它们对传感有用。

当一个轻粒子 - 一个光子 - 在一个氮空位撞击一个电子时,它将把它踢进一个更高的能量状态。当电子回落到其原始能量状态时,它可能释放其多余的能量作为另一个光子。然而,磁场可以翻转电子的磁性取向或自旋,从而增加其两种能态之间的差异。场越强,它将转动越多,改变空位发出的光的亮度。

用这种芯片进行精确测量需要收集尽可能多的这些光子。 Clevenson表示,在之前的实验中,研究人员通常通过将激光照射到芯片表面激发氮空位。

“只有一小部分光被吸收,”她说。 “它大部分是直接穿过钻石的。通过将该棱镜面添加到钻石的角落并将激光耦合到侧面,我们获得了巨大的优势。我们放入钻石的所有光线都可以被吸收并且很有用。“

覆盖基地

研究人员计算出激光束应该进入晶体的角度,使其保持限制,从侧面反弹 - 就像在台球桌上跳动的不知疲倦的母球一样 - 以跨越晶体长度和宽度的模式所有的能量都被吸收了。

“你可以在路径长度上接近一米,”Englund说。 “就好像你将一米长的钻石传感器包裹到几毫米中一样。”结果,芯片使用的泵浦激光器的能量是其前辈的1000倍。

由于氮空位的几何形状,重新发射的光子以四个不同的角度出现。晶体一端的透镜可以收集20%的光,并将它们聚焦到光检测器上,这足以获得可靠的测量结果。

美国海军航空系统司令部的物理学家Frank Narducci说:“NV中心与我们合作非常愉快。 “你只是有这个小小的固态样品。你不需要做任何事情。你不必把它放在真空中。你不必低温冷却它。为了让他们兴奋,你可以使用绿色激光 - 一个激光笔足够好。你不必在稳定激光器方面有什么超级想象。“

“有趣的是,他们使用的样品本身就像一个波导,用来反射光线,”他继续说道。 “他们的样本很小。因为激光不必特别特别,也可能很小。所以你可以设想非常小的磁力计。相应地,你可以让它们很便宜。“

“他补充说:”从海军的角度来看,我们谈论的是一次性磁力仪,你可能会在某个海域飞行,并且你想做一些测量,所以你只需要扔掉一些。如果你得到的是非常便宜的高灵敏度磁力计,那将是一个很好的应用。“

出版物:Hannah Clevenson等人,“Broadband magnetometry and temperature sensing with a light-trapping diamond waveguide”,Nature Physics(2015); DOI:10.1038 / nphys3291

PDF研究副本:带有陷光金刚石波导的宽带磁测和温度传感

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

图片:H. Clevenson /麻省理工学院林肯实验室

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