طور باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة جديدة لقياس الحقول المغناطيسية الذرية بدقة عالية ، ليس فقط للأعلى وللأسفل ولكن أيضًا. يمكن أن تكون الأداة الجديدة مفيدة في تطبيقات متنوعة مثل تحديد النبضات الكهربائية داخل الخلايا العصبية المنبعثة وتوصيف المواد المغناطيسية الجديدة واستكشاف الظواهر الفيزيائية الكمومية الغريبة.

يوصف النهج الجديد اليوم في المجلة استعراض للحروف البدنية في ورقة كتبها طالب الدراسات العليا يي شيانغ ليو ، وطالب الدراسات العليا السابق أشوك أجوي ، وأستاذ العلوم والهندسة النووية باولا كابيلارو.

تعتمد هذه التقنية على منصة تم تطويرها بالفعل لاستكشاف الحقول المغناطيسية بدقة عالية ، وذلك باستخدام عيوب صغيرة في الماس تسمى مراكز النيتروجين-الشغور (NV). تتكون هذه العيوب من مكانين متجاورين في الشبكة الماسية لذرات الكربون حيث تنقص ذرات الكربون ؛ يتم استبدال أحدهما بذرة نيتروجين ، والآخر يبقى فارغًا. هذا يترك الروابط المفقودة في الهيكل ، مع الإلكترونات الحساسة للغاية للاختلافات الصغيرة في بيئتها ، سواء كانت كهربائية أو مغناطيسية أو قائمة على الضوء.

كانت الاستخدامات السابقة لمراكز NV الفردية للكشف عن الحقول المغناطيسية دقيقة للغاية ولكنها قادرة فقط على قياس تلك الاختلافات على بعد واحد ، محاذاة مع محور الاستشعار. لكن بالنسبة لبعض التطبيقات ، مثل تحديد الروابط بين الخلايا العصبية عن طريق قياس الاتجاه الدقيق لكل دفعة إطلاق ، سيكون من المفيد قياس المكون الجانبي للحقل المغناطيسي أيضًا.

بشكل أساسي ، يحل الأسلوب الجديد هذه المشكلة باستخدام مذبذب ثانوي يوفره الدوران النووي لذرة النيتروجين. المكون الجانبي للحقل المراد قياسه يدفع اتجاه المذبذب الثانوي. عن طريق طرحه خارج المحور قليلاً ، يُحدث المكون الجانبي نوعًا من التذبذب الذي يظهر كتقلب دوري للحقل المحاذاة مع المستشعر ، وبالتالي يحول هذا المكون العمودي إلى مخطط موجة ثابت على قياس المجال المغناطيسي الثابت. يمكن بعد ذلك تحويل هذا الحساب رياضياً لتحديد حجم المكون الجانبي.

يوضح ليو أن هذه الطريقة توفر الدقة في هذا البعد الثاني كما هو الحال في البعد الأول ، بينما لا تزال تستخدم مستشعرًا واحدًا ، وبالتالي تحتفظ بقرارها المكاني النانوي. من أجل قراءة النتائج ، يستخدم الباحثون مجهرًا بصريًا متحد البؤر يستخدم خاصية خاصة لمراكز NV: عندما يتعرضون للضوء الأخضر ، ينبعثون من توهج أحمر ، أو مضان ، تعتمد شدته على حالة دورانها الدقيقة. . يمكن أن تعمل مراكز NV هذه على أنها وحدات البت ، أي ما يعادل الحوسبة الكمومية للبتات المستخدمة في الحوسبة العادية.

"يمكننا أن نقول حالة الدوران من مضان" ، يشرح ليو. وتقول: "إذا كان الظلام ، ينتج عنه مضان أقل ، فهذه حالة" واحدة "، وإذا كانت ساطعة ، فهذه حالة" صفرية ". "إذا كان هناك عدد من الإسفار ، فإن حالة الدوران تكون في مكان ما بين" صفر "و" واحد "."

تخبر إبرة بوصلة مغناطيسية بسيطة اتجاه المجال المغناطيسي ، ولكن ليس قوتها. يمكن لبعض الأجهزة الموجودة لقياس الحقول المغناطيسية القيام بالعكس ، وقياس قوة الحقل بدقة على طول اتجاه واحد ، لكنها لا تخبر شيئًا عن الاتجاه العام لذلك الحقل. هذه المعلومات الاتجاهية هي ما يمكن أن يوفرها نظام الكشف الجديد.

في هذا النوع الجديد من "البوصلة" ، كما يقول ليو ، "يمكننا معرفة أين يشير من سطوع التألق" ، والتغيرات في ذلك السطوع. تتم الإشارة إلى الحقل الأساسي من خلال مستوى السطوع الكلي الثابت ، في حين يظهر التذبذب الذي يتم عرضه عن طريق ضرب المجال المغنطيسي خارج المحور كتغير منتظم يشبه الموجة من هذا السطوع ، والذي يمكن قياسه بدقة بعد ذلك.

يقول ليو إن تطبيقًا مثيرًا للاهتمام لهذه التقنية يتمثل في جعل مراكز NV الماس على اتصال بخلايا عصبية. عندما تطلق الخلية نشاطها المحتمل لإطلاق خلية أخرى ، يجب أن يكون النظام قادرًا على اكتشاف ليس فقط شدة الإشارة الخاصة بها ، ولكن أيضًا اتجاهها ، وبالتالي المساعدة في تحديد الروابط ومعرفة الخلايا التي تقوم بإطلاق الخلايا الأخرى. وبالمثل ، عند اختبار المواد المغناطيسية الجديدة التي قد تكون مناسبة لتخزين البيانات أو التطبيقات الأخرى ، ينبغي للنظام الجديد تمكين قياس مفصل لحجم واتجاه الحقول المغناطيسية في المادة.

على عكس بعض الأنظمة الأخرى التي تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية للعمل ، يمكن لنظام الاستشعار المغناطيسي الجديد أن يعمل بشكل جيد في درجة حرارة الغرفة العادية ، كما يقول ليو ، مما يجعل من الممكن اختبار العينات البيولوجية دون إتلافها.

التكنولوجيا لهذا النهج الجديد متاح بالفعل. يقول ليو: "يمكنك القيام بذلك الآن ، لكن عليك أولاً أن تأخذ بعض الوقت لمعايرة النظام".

في الوقت الحالي ، يوفر النظام فقط قياسًا للمكون العمودي الكلي للمجال المغناطيسي ، وليس اتجاهه الدقيق. "الآن ، نحن فقط استخراج المكون المستعرض الكلي. يقول ليو: "لا يمكننا تحديد الاتجاه". لكن إضافة هذا المكون الثلاثي الأبعاد يمكن القيام به من خلال إدخال مجال مغناطيسي ثابت إضافي كنقطة مرجعية. "طالما أننا نستطيع معايرة هذا الحقل المرجعي" ، كما تقول ، سيكون من الممكن الحصول على المعلومات ثلاثية الأبعاد الكاملة حول اتجاه الحقل ، و "هناك العديد من الطرق للقيام بذلك".

يقول آميت فينكلر ، العالم البارز في الفيزياء الكيميائية في معهد وايزمان الإسرائيلي ، الذي لم يشارك في هذا العمل ، "إنه بحث عالي الجودة. ... يحصلون على حساسية لعرض الحقول المغناطيسية على قدم المساواة مع حساسية العاصمة للحقول الموازية ، وهو أمر مثير للإعجاب ومشجع للتطبيقات العملية. "

يضيف فينكلر: "بينما يكتب المؤلفون بكل تواضع في المخطوطة ، هذه هي بالفعل الخطوة الأولى نحو قياس النانومترية المغناطيسية المتجهية. يبقى أن نرى ما إذا كان يمكن بالفعل تطبيق تقنيتهم ​​على عينات فعلية ، مثل الجزيئات أو أنظمة المواد المكثفة. "ومع ذلك ، يقول:" خلاصة القول هي أنه بصفتي مستخدمًا / منفذاً محتملاً لهذه التقنية ، فإنني معجب للغاية علاوة على ذلك ، تم تشجيعنا على اعتماد وتطبيق هذا المخطط في إعداداتي التجريبية. "

في حين أن هذا البحث كان يهدف على وجه التحديد إلى قياس المجالات المغناطيسية ، إلا أن الباحثين يقولون إن نفس المنهجية الأساسية يمكن استخدامها لقياس الخصائص الأخرى للجزيئات بما في ذلك الدوران والضغط والمجالات الكهربائية وغيرها من الخصائص. تم دعم البحث من قِبل المؤسسة الوطنية للعلوم ومكتب أبحاث الجيش الأمريكي.