原子スケールの磁場を上下方向だけでなく横方向にも非常に正確に測定する新しい方法が、MITの研究者によって開発されました。 新しいツールは、発火ニューロン内の電気インパルスのマッピング、新しい磁性材料の特性評価、エキゾチックな量子物理現象の探査など、さまざまな用途に役立ちます。

新しいアプローチは、本日ジャーナルで説明されています Physical Review Lettersに 大学院生Yi-Xiang Liu、元大学院生Ashok Ajoy、および核科学と工学の教授Paola Cappellaroによる論文。

この手法は、窒素空孔（NV）センターと呼ばれるダイヤモンドの小さな欠陥を使用して、磁場を高精度でプローブするためにすでに開発されたプラットフォームに基づいています。 これらの欠陥は、炭素原子が欠落している炭素原子のダイヤモンドの規則正しい格子のXNUMXつの隣接する場所で構成されています。 それらのXNUMXつは窒素原子に置き換えられ、もうXNUMXつは空のままになります。 これにより、電気的、磁気的、または光ベースの環境のわずかな変動に非常に敏感な電子とともに、構造内に結合が失われます。

磁場を検出するための単一のNVセンターの以前の使用は非常に正確でしたが、センサー軸に沿って一次元に沿ってそれらの変動のみを測定することができました。 ただし、各発火インパルスの正確な方向を測定してニューロン間の接続をマッピングするなどの一部のアプリケーションでは、磁場の横方向の成分も測定すると便利です。

本質的に、新しい方法は、窒素原子の核スピンによって提供される二次振動子を使用することにより、その問題を解決します。 測定するフィールドの横方向の成分は、XNUMX次発振器の方向を微調整します。 軸からわずかに外れると、横向きの成分は一種のぐらつきを引き起こし、センサーと整列した磁場の周期的な変動として現れます。そのため、その垂直成分は、一次的な静磁場測定に重ねられた波形に変わります。 次に、これを数学的に変換して、横向きの成分の大きさを決定できます。

この方法では、このXNUMX次元でもXNUMX次元と同じ精度が得られるとLiu氏は説明しますが、単一のセンサーを使用しているため、ナノスケールの空間分解能が維持されます。 結果を読み取るために、研究者はNV中心の特殊な特性を利用する光学共焦点顕微鏡を使用します。緑色の光にさらされると、赤色のグローまたは蛍光を発します。その強度は正確なスピン状態に依存します。 これらのNVセンターは、通常のコンピューティングで使用されるビットと同等の量子コンピューティングであるキュービットとして機能します。

「蛍光からスピン状態を知ることができます」とリューは説明します。 「それが暗い場合は、蛍光が少なくなります。「それは「XNUMX」状態です。明るい場合は、「ゼロ」状態です」と彼女は言います。 「蛍光が間にある数である場合、スピン状態は「ゼロ」と「XNUMX」の間のどこかにあります。」

単純な磁気コンパスの針は、磁場の方向を示しますが、その強さは示しません。 磁場を測定するためのいくつかの既存のデバイスは、反対のことを行うことができ、一方向に沿って磁場の強さを正確に測定しますが、その磁場の全体的な方向については何も伝えません。 その方向情報は、新しい検出器システムが提供できるものです。

この新しい種類の「コンパス」では、Liは「蛍光の明るさからどこを指しているのかを知ることができます」と、その明るさの変化を示しています。 一次磁場は全体的な安定した輝度レベルで示されますが、磁場を軸外にノックすることで生じるゆらぎは、その輝度の規則的な波のような変化として現れ、その後正確に測定できます。

この手法の興味深い用途は、ダイヤモンドNVの中心をニューロンと接触させることです、とLiu氏は言います。 セルがその活動電位を発動して別のセルをトリガーすると、システムは信号の強度だけでなく方向も検出できるため、接続をマップし、どのセルが他のセルをトリガーしているかを確認できます。 同様に、データストレージや他のアプリケーションに適している可能性のある新しい磁性材料をテストする場合、新しいシステムは、材料内の磁場の大きさと方向の詳細な測定を可能にする必要があります。

動作に非常に低い温度を必要とする他のシステムとは異なり、この新しい磁気センサーシステムは通常の室温で十分に機能し、生体試料を損傷することなく試験することが可能になります。

この新しいアプローチのテクノロジーはすでに利用可能です。 「今すぐできますが、最初にシステムのキャリブレーションに時間がかかる必要があります」とLiu氏は言います。

現時点では、システムは磁場の垂直成分全体の測定値のみを提供し、正確な方向の測定値は提供しません。 「今、私たちは総横成分のみを抽出します。 方向を特定することはできません」とLiu氏は言います。 しかし、そのXNUMX次元成分を追加するには、追加の静磁場を基準点として導入します。 「その参照フィールドを調整できる限り、フィールドの方向に関する完全なXNUMX次元情報を取得することが可能であり、「それを行うには多くの方法があります」と彼女は言います。

イスラエルのワイツマン研究所の化学物理学の上級科学者で、この研究に関与していなかったアミット・フィンクラーは、「これは高品質の研究です。 …平行磁場に対するDC感度と同等の横磁場に対する感度を獲得します。これは、実用的なアプリケーションにとって印象的で有望です。」

Finkler氏は次のように付け加えます。「著者が原稿に謙虚に書いているように、これはベクトルナノスケール磁気測定への第一歩です。 彼らの技術が実際に分子や凝縮物質系などの実際のサンプルに適用できるかどうかはまだ不明です。しかし、彼は次のように述べています。「この技術の潜在的なユーザー/実装者として、私は非常に感銘を受けましたさらに、私の実験環境でこのスキームを採用して適用することをお勧めします。」

この研究は特に磁場の測定を目的としていましたが、研究者たちは、回転、圧力、電場、その他の特性を含む分子の他の特性を測定するために同じ基本的な方法論を使用できると述べています。 この研究は、全米科学財団と米国陸軍研究局によって支援されました。