211service.com
Diamond Magnetometer breekt gevoeligheidsrecords
In 1896 werd een jonge natuurkundige, Pieter Zeeman genaamd, ontslagen omdat hij een experiment uitvoerde tegen de specifieke wensen van zijn laboratoriumbegeleider in. Ondanks de gevolgen leidde het experiment tot een opmerkelijke ontdekking die het leven van Zeeman veranderde.
Het experiment omvatte het meten van het licht dat wordt uitgestraald door elementen die in een krachtig magnetisch veld zijn geplaatst. Toen hij dit deed, ontdekte Zeeman dat de spectraallijnen door het veld werden gespleten. In 1902 kreeg hij de Nobelprijs voor de natuurkunde voor deze ontdekking die nu bekend staat als het Zeeman-effect.
Het is vooral handig voor het meten van magnetische velden op afstand. Astrofysici gebruiken het bijvoorbeeld om variaties in het magnetische veld op de zon in kaart te brengen. Maar het kan ook worden gebruikt om velden op veel kleinere schaal te meten. In theorie zou het effect kunnen worden gebruikt om de invloed van een magnetisch veld op een enkel atoom waar te nemen.
Hoewel ze nog niet zo ver zijn gekomen, zijn Thomas Wolf van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland en een paar vrienden redelijk dichtbij gekomen. Deze jongens hebben de spectra van stikstofatomen ingebed in diamant gebruikt om misschien wel de meest gevoelige magnetometer ooit gemaakt te bouwen. Ze zeggen dat hun nieuwe apparaat binnenkort in staat zou kunnen zijn om het magnetische veld van protonen te meten.
Eerst wat achtergrondinformatie over magnetometers. In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen steeds gevoeligere magnetometers gemaakt met behulp van een verscheidenheid aan verschillende technieken. Een probleem waar ze allemaal tegenaan lopen, is dat magnetische velden zeer snel vervallen met de afstand, als 1/r^3.
Dat betekent dat de grootte van de sensor een belangrijke invloed heeft op wat hij kan detecteren, aangezien het magnetische veld over het hele volume van de sensor aanzienlijk kan veranderen. Een belangrijke taak is dus om magnetometers zo klein mogelijk te maken.
Dat is waar diamant binnenkomt. Diamant is een driedimensionaal kristal gemaakt van koolstof. Wanneer echter een koolstofatoom in de structuur wordt vervangen door stikstof, produceert dit een extra ongebonden elektron.
Wanneer dit elektron wordt geëxciteerd met laserlicht, fluoresceert het vervolgens met een frequentie die afhankelijk is van zijn omgeving. Met name een magnetisch veld kan deze frequentie veranderen, via het Zeeman-effect, waardoor stikstofdefecten in diamant een veelbelovend type magnetometer worden.
Natuurlijk is het een lastige zaak om een enkel atoom in zo'n structuur aan te pakken en de fluorescentie ervan nauwkeurig vast te leggen. Wolf en co gebruiken dus een heel ensemble van stikstofdefecten in een volume diamant dat slechts een fractie van een kubieke millimeter in beslag neemt. Ze schatten dat hierin enkele miljarden stikstofatomen zitten.
Hoewel een centrum van deze omvang vele ordes van grootte groter is dan een individueel atoom, produceert het een fluorescerend signaal dat veel gemakkelijker te meten is. Dat maakt het apparaat praktisch. Zelfs met dit formaat is de magnetometer een van de kleinste ooit gemaakt.
Om erachter te komen hoe gevoelig het apparaat is, hebben Wolf en co het apparaat uitgeprobeerd en bij elke stap zorgvuldig geluid geëlimineerd. De resultaten zijn indrukwekkend. Het team mat uiteindelijk een veldsterkte van slechts 100 femtoTesla. Dat is vergelijkbaar met de meest gevoelige magnetometers ter wereld. En ze denken dat ze het nog beter kunnen doen met relatief eenvoudige verbeteringen die de gevoeligheid met twee ordes van grootte zouden moeten verhogen.
Maar hier is het ding: het unieke aan dit apparaat is dat het allebei klein is en gevoelig, een combinatie die nog nooit eerder is bereikt. Dat maakt dit toestel een soort recordbreker. Het kan magnetische veldsterktes meten in kleine volumes die nog nooit eerder toegankelijk waren. Met andere woorden, het opent magnetische veldsterktedetectie op een geheel nieuwe schaal met behulp van een solid-state apparaat dat werkt bij kamertemperatuur.
Een doel op dit gebied is het meten van de magnetische velden van protonen in water. De gevoeligheid van dit apparaat lijkt dit mogelijk te maken. Deze waarde zelf zorgt voor detectie van protonspins in een microscopisch oplosbaar volume in minder dan een seconde, zegt Wolf en co.
Magnetometers worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, variërend van minerale exploratie en archeologie tot positionering van wapensystemen en hartslagmonitors. Dus een robuust, zeer gevoelig solid-state apparaat dat bij kamertemperatuur werkt, zal waarschijnlijk van pas komen. Zeeman zou onder de indruk zijn geweest.
Referentie: arxiv.org/abs/1411.6553 : Een Subpicotesla Diamant Magnetometer