Una nueva forma de medir campos magnéticos a escala atómica con gran precisión, no solo hacia arriba y hacia abajo, sino también hacia los lados, ha sido desarrollado por investigadores del MIT. La nueva herramienta podría ser útil en aplicaciones tan diversas como mapear los impulsos eléctricos dentro de una neurona activa, caracterizar nuevos materiales magnéticos, y sondear fenómenos físicos cuánticos exóticos.

El nuevo enfoque se describe hoy en la revista Cartas de revisión física en un artículo del estudiante graduado Yi-Xiang Liu, ex estudiante de posgrado Ashok Ajoy, y la profesora de ciencia e ingeniería nuclear Paola Cappellaro.

La técnica se basa en una plataforma ya desarrollada para sondear campos magnéticos con alta precisión, utilizando pequeños defectos en el diamante llamados centros de vacantes de nitrógeno (NV). Estos defectos consisten en dos lugares adyacentes en la red ordenada de átomos de carbono del diamante donde faltan átomos de carbono; uno de ellos es reemplazado por un átomo de nitrógeno, y el otro se deja vacío. Esto deja enlaces faltantes en la estructura, con electrones que son extremadamente sensibles a pequeñas variaciones en su entorno, sean eléctricos, magnético, o a base de luz.

Los usos anteriores de centros de NV únicos para detectar campos magnéticos han sido extremadamente precisos, pero solo han sido capaces de medir esas variaciones a lo largo de una sola dimensión. alineado con el eje del sensor. Pero para algunas aplicaciones, como trazar las conexiones entre neuronas midiendo la dirección exacta de cada impulso de disparo, También sería útil medir la componente lateral del campo magnético.

Esencialmente, el nuevo método resuelve ese problema mediante el uso de un oscilador secundario proporcionado por el giro nuclear del átomo de nitrógeno. El componente lateral del campo que se va a medir empuja la orientación del oscilador secundario. Golpeándolo ligeramente fuera del eje, el componente lateral induce una especie de oscilación que aparece como una fluctuación periódica del campo alineado con el sensor, convirtiendo así ese componente perpendicular en un patrón de onda superpuesto al primario, Medición del campo magnético estático. Esto se puede volver a convertir matemáticamente para determinar la magnitud del componente lateral.

El método proporciona tanta precisión en esta segunda dimensión como en la primera dimensión, Liu explica, mientras sigues usando un solo sensor, conservando así su resolución espacial a nanoescala. Para leer los resultados, los investigadores utilizan un microscopio confocal óptico que hace uso de una propiedad especial de los centros NV:cuando se exponen a la luz verde, emiten un resplandor rojo, o fluorescencia, cuya intensidad depende de su estado de giro exacto. Estos centros NV pueden funcionar como qubits, el equivalente de computación cuántica de los bits utilizados en la computación ordinaria.

"Podemos distinguir el estado de giro de la fluorescencia, "Explica Liu." Si está oscuro, "produciendo menos fluorescencia, "ese es un estado 'uno', y si es brillante ese es un estado 'cero', ", dice." Si la fluorescencia es un número intermedio, entonces el estado de giro está en algún lugar entre 'cero' y 'uno' ".

La aguja de una brújula magnética simple indica la dirección de un campo magnético, pero no su fuerza. Algunos dispositivos existentes para medir campos magnéticos pueden hacer lo contrario, medir la fuerza del campo con precisión a lo largo de una dirección, pero no dicen nada sobre la orientación general de ese campo. Esa información direccional es lo que puede proporcionar el nuevo sistema de detectores.

En este nuevo tipo de "brújula, "Liu dice, "podemos decir a dónde apunta por el brillo de la fluorescencia, "y las variaciones en ese brillo. El campo primario está indicado por el nivel de brillo constante, mientras que el bamboleo introducido al golpear el campo magnético fuera del eje se muestra como un movimiento regular, variación ondulatoria de ese brillo, que luego se puede medir con precisión.

Una aplicación interesante de esta técnica sería poner en contacto los centros del diamante NV con una neurona, Dice Liu. Cuando la célula dispara su potencial de acción para activar otra célula, el sistema debe poder detectar no solo la intensidad de su señal, pero también su dirección, ayudando así a trazar las conexiones y ver qué células están activando qué otras. Similar, en la prueba de nuevos materiales magnéticos que podrían ser adecuados para el almacenamiento de datos u otras aplicaciones, el nuevo sistema debería permitir una medición detallada de la magnitud y la orientación de los campos magnéticos en el material.

A diferencia de otros sistemas que requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar, este nuevo sistema de sensor magnético puede funcionar bien a temperatura ambiente normal, Liu dice, haciendo factible analizar muestras biológicas sin dañarlas.

La tecnología para este nuevo enfoque ya está disponible. "Tu puedes hacerlo ahora, pero primero debe tomarse un tiempo para calibrar el sistema, "Dice Liu.

Por ahora, el sistema solo proporciona una medida de la componente perpendicular total del campo magnético, no su orientación exacta. "Ahora, solo extraemos la componente transversal total; no podemos señalar la dirección, ", Dice Liu. Pero agregar ese componente tridimensional podría hacerse mediante la introducción de un agregado, campo magnético estático como punto de referencia. "Siempre que podamos calibrar ese campo de referencia, " ella dice, sería posible obtener la información tridimensional completa sobre la orientación del campo, y "hay muchas formas de hacerlo".

Amit Finkler, un científico senior en física química en el Instituto Weizmann de Israel, que no estuvo involucrado en este trabajo, dice "Esta es una investigación de alta calidad ... Obtienen una sensibilidad a los campos magnéticos transversales a la par con la sensibilidad de CC para campos paralelos, lo cual es impresionante y alentador para aplicaciones prácticas ".

Finkler agrega, "Como escriben humildemente los autores en el manuscrito, este es de hecho el primer paso hacia la magnetometría vectorial a nanoescala. Queda por ver si su técnica se puede aplicar realmente a muestras reales, como moléculas o sistemas de materia condensada ". Sin embargo, él dice, "La conclusión es que, como posible usuario / implementador de esta técnica, Estoy muy impresionado y, además, animado a adoptar y aplicar este esquema en mis configuraciones experimentales ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.