Científicos de la Universidad ITMO y del Instituto de Física Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia han propuesto una nueva antena de microondas que crea un campo magnético uniforme en gran volumen. Es capaz de uniforme, direccionamiento coherente de los espines electrónicos de un conjunto de defectos de estructura de nanodiamantes. Esto se puede utilizar para crear detectores de campo magnético súper sensibles para magnetoencefalografía en el estudio y diagnóstico de la epilepsia y otras enfermedades. Los resultados se publican en Cartas JETP .

El estudio de las características del campo magnético es necesario en muchas industrias, de la navegación a la medicina. Por ejemplo, La magnetoencefalografía puede registrar campos magnéticos que surgen de la actividad cerebral, así como medir la actividad de neuronas individuales. Este método se utiliza en el diagnóstico de la epilepsia y la enfermedad de Alzheimer. y la preparación para la cirugía cerebral. Sin embargo, La magnetoencefalografía requiere magnetómetros súper sensibles, dispositivos que registran las características de campos magnéticos muy débiles.

Por lo tanto, Los científicos buscan constantemente nuevas formas de crear magnetómetros súper sensibles. Estos dispositivos deben funcionar a temperatura ambiente con una potencia de entrada baja. Es más, deben ser compactos y relativamente baratos. Una de las opciones prometedoras en este campo son los nanodiamantes con defectos. Los nanodiamantes son nanoestructuras de carbono con alto índice de refracción y alta conductividad térmica, que casi no tienen interacción con otras sustancias. Pueden contener defectos estructurales internos complejos, como los centros de nitrógeno vacante (NV).

"Estos defectos pueden crearse artificialmente. Cuando se elimina un átomo de carbono de la red cristalina del diamante, la vacante resultante se une al átomo de nitrógeno implantado. La estructura de este defecto es única, ya que los espines electrónicos del centro individual son manipulados por campos electromagnéticos. Dependiendo de las propiedades del campo magnético de microondas circundante, el estado del espín del electrón del centro NV está cambiando, y esto se puede registrar con métodos ópticos, "explica Dmitry Zuev, investigador de la Facultad de Física y Tecnología de la Universidad ITMO.

Sin embargo, como la respuesta de un solo centro NV no es lo suficientemente fuerte, es necesario un conjunto de tales defectos para mejorar la sensibilidad de los sensores. Aquí es donde surge un problema, ya que la reacción de los espines de los electrones de todos los centros del nanodiamante debe abordarse y manipularse de manera coherente. En otras palabras, todos deben estar en un campo magnético de microondas de la misma intensidad para que su respuesta pueda ser la misma.

Científicos de la Universidad ITMO y del Instituto de Física Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia sugirieron el uso de una antena de microondas dieléctrica para controlar de manera coherente los espines de electrones de los centros de NV en todo el volumen de nanodiamantes. La antena está representada por un cilindro dieléctrico con un orificio interno que contiene nanodiamantes con muchos centros NV. Este sistema está excitado por una corriente eléctrica. Una vez que se aplica una potencia de entrada de aproximadamente 5 vatios, el cilindro dieléctrico crea un fuerte campo magnético uniforme alrededor del nanodiamante. Como resultado, los espines de los electrones de todos los centros NV están sincronizados de la misma manera y, por lo tanto, proporcionan una alta sensibilidad a los magnetómetros.

"El principal desafío de este trabajo fue lograr un control coherente de los espines de los electrones de los centros NV en todo el volumen de la muestra de nanodiamantes disponible comercialmente. Decidimos usar una antena basada en un resonador dieléctrico para esto. Calculamos la antena requerida parámetros y estimamos el efecto esperado. Se realizaron estudios experimentales en colaboración con el grupo de investigación del profesor Alexey Akimov en Moscú. Recolectamos una muestra experimental y medimos la frecuencia de Rabi, que muestra la frecuencia con la que se puede manipular el giro del electrón. Cuanto mayor sea este valor, el mejor. Tenemos una frecuencia Rabi de 10 megahercios. Tal resultado nunca antes se mostró experimentalmente para una muestra de volumen, así que esto es realmente un gran avance, "dijo Polina Kapitanova, investigador de la Facultad de Física y Tecnología de la Universidad ITMO.

Medir la frecuencia Rabi es el primer paso para determinar la sensibilidad del nuevo magnetómetro. Los científicos planean continuar experimentos y estudios teóricos, buscando nuevas configuraciones de antena que proporcionen magnetómetros de mayor calidad.