En la atención médica, los campos magnéticos de la actividad del corazón y el cerebro se miden para detectar enfermedades en una etapa temprana. Para medir incluso los campos magnéticos más pequeños, los investigadores de Fraunhofer IAF están trabajando en un nuevo enfoque:la magnetometría de umbral láser basada en diamantes. La idea es utilizar diamantes con una alta densidad de centros vacantes de nitrógeno en un sistema láser. Ahora, los investigadores han logrado alcanzar un hito:pudieron demostrar la primera medición del mundo de la emisión estimulada dependiente del campo magnético e incluso establecieron un nuevo récord de contraste. Los resultados se publicaron en la revista Science Advances .

En el diagnóstico médico, se necesitan sensores sensibles para medir, por ejemplo, los campos magnéticos débiles de la actividad cardíaca y cerebral (MCG, MEG) del cuerpo humano y crear imágenes del cuerpo a través de imágenes por resonancia magnética (IRM), lo que permite la detección de enfermedades en una etapa temprana. Sin embargo, solo unos pocos sensores de campo magnético altamente sensibles logran la precisión necesaria y cada uno de ellos presenta importantes obstáculos técnicos para la aplicación clínica.

Los sensores SQUID ya establecidos requieren un enfriamiento criogénico complejo de aproximadamente -270 °C. Los magnetómetros de celda de vapor (OPM) son otra opción. Aunque estos logran las sensibilidades más altas incluso sin enfriamiento criogénico, tienen la desventaja de que requieren un blindaje absoluto de todos los campos de fondo, incluido el campo magnético terrestre, y por lo tanto imponen requisitos estructurales masivos en habitaciones y edificios. Debido a esto, las mediciones eléctricas más inexactas (ECG, EEG) continúan siendo comunes en la práctica clínica diaria.

En el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF en Freiburg, un equipo de proyecto ya está investigando una alternativa más adecuada:"Nuestro objetivo es desarrollar un sensor de campo magnético extremadamente sensible que funcione a temperatura ambiente y en presencia de campos de fondo. y, por lo tanto, es útil para implementaciones clínicas", explica el Dr. Jan Jeske, director de proyectos de Fraunhofer IAF.

Medición de los campos magnéticos más pequeños con diamante y láser

En el proyecto "Diamante CVD dopado con NV para magnetometría de umbral láser ultrasensible" (abreviado "DiLaMag"), Jeske y su equipo están investigando un enfoque único en el mundo para sensores de campo magnético cuántico altamente sensibles. Por primera vez, utilizan diamante en un sistema láser, lo que permite mediciones de campo magnético considerablemente más precisas.

Para el proyecto, el diamante está dopado con una alta densidad de centros vacantes de nitrógeno (centros NV). "Debido a las propiedades de su material, el diamante con una alta densidad de centros NV puede mejorar enormemente la precisión de la medición cuando se usa como medio láser", explica Jeske. Los centros NV en el diamante son sistemas atómicos que consisten en un átomo de nitrógeno y un defecto de carbono. Absorben luz verde y emiten luz roja. Dado que la fluorescencia de estos centros NV atómicamente pequeños depende de la fuerza de un campo magnético externo, pueden usarse para medir campos magnéticos con alta resolución local y buena sensibilidad.

Primera demostración experimental de magnetometría de umbral láser

Después de varios años de esfuerzo de investigación, el equipo de Jeske ha alcanzado un hito importante:ha demostrado la primera medición del mundo de emisión estimulada dependiente del campo magnético. En el proceso, los investigadores hicieron un descubrimiento interesante:"Observamos un proceso físico muy relevante y previamente desconocido en el diamante NV:la absorción de luz roja inducida por la irradiación de láser verde", informa Jeske.

Usando el diamante NV como medio láser, no solo lograron una amplificación del 64 por ciento de la potencia de la señal mediante la emisión estimulada. El equipo del proyecto incluso pudo establecer un récord mundial:la emisión dependiente del campo magnético muestra un contraste del 33 por ciento y una potencia de salida máxima en el régimen de mW. Este es un nuevo récord de contraste en magnetometría con conjuntos NV.

La emisión estimulada es responsable de esto. "Pudimos demostrar que este registro no habría sido posible con la emisión espontánea. Por lo tanto, hemos demostrado experimentalmente el principio teórico de la magnetometría de umbral láser por primera vez", enfatiza Jeske.

Estos resultados también muestran las ventajas de la magnetometría de umbral láser basada en diamante sobre los métodos convencionales y prueban que es posible medir los campos magnéticos más pequeños.

Gran progreso en la producción de diamantes NV

El concepto de magnetometría de umbral láser solo funciona si el diamante tiene una densidad muy alta de centros NV y conserva buenas propiedades ópticas. Por esta razón, el equipo del proyecto ha realizado un extenso trabajo material para optimizar el diamante en consecuencia. Este trabajo incluye, por un lado, la producción de diamante por CVD (deposición química de vapor) y, por otro lado, el procesamiento posterior por irradiación de electrones y tratamiento térmico para un aumento de la densidad NV.

Durante el crecimiento de diamantes por CVD, que permite una integración muy precisa y controlada de los centros NV, los investigadores ya pudieron lograr un alto dopaje de nitrógeno. Luego, mediante la irradiación de electrones, determinaron una fluencia óptima para la densidad del nitrógeno, lo que dio como resultado un aumento de 20 a 70 veces en la densidad NV. Los espectros de absorción les permitieron seguir en vivo la formación de los centros NV.

Durante la caracterización, establecieron las correlaciones entre tres factores cruciales para conjuntos de NV óptimos y los optimizaron:una alta densidad de NV, una alta conversión de nitrógeno sustituido usando irradiación de alta fluencia y una alta estabilidad de carga. Como resultado de estos estudios detallados, el equipo de Fraunhofer IAF logró por primera vez producir diamante CVD con una alta densidad de centros NV y de buena calidad, creando así el requisito previo para el desarrollo de magnetometría de umbral láser basada en diamante para la medición de campos magnéticos extremadamente pequeños. + Explora más

Hacia una detección e imagen superior a nanoescala con sondas de diamante optimizadas