Forskere har fået magnetisk resonans i en diamant til at slukke et lasersystem helt. Forsøget, offentliggjort i Nature Communications den 22. oktober, viser en ny måde at aflæse diamantbaserede magnetsensorer på: Et lille kvantefysisk signal bliver omsat til en stor ændring i laserlyset.

Fraunhofer IAF fremhæver resultatet i en pressemeddelelse samme dag. Holdet har opnået 100 procent optisk kontrast sammen med kraftige målesignaler. Det er lovende for udviklingen af følsomme sensorer, men betyder hverken 100 procent målenøjagtighed eller et færdigt apparat til hospitaler.

Diamantens fejl bliver et måleinstrument

En perfekt diamant består af kulstofatomer i et regelmæssigt gitter. I sensoren er det netop en afvigelse fra dette mønster, der er nyttig: Et kvælstofatom erstatter et kulstofatom, mens nabopladsen står tom. Kombinationen kaldes et nitrogen-vacancy-center, forkortet NV-center.

Det amerikanske måleinstitut NIST beskriver, hvordan elektronernes spin i sådanne centre reagerer på et magnetfelt. Forskellen mellem deres energitilstande afhænger af feltets styrke og retning. Ved at undersøge denne reaktion kan forskere bruge diamanten som en magnetisk måler.

Det særlige er altså ikke, at krystallen opfører sig som en almindelig kompasnål. Informationen ligger i elektronernes kvantetilstande og skal omsættes til et signal, som et instrument kan registrere. NIST arbejder blandt andet med elektrisk aflæsning som alternativ til at registrere udsendt rødt lys.

Laseren gør forskellen synlig

I det nye forsøg indgår diamanten direkte i laserens resonator. NV-centrene påvirker tabet af lys, og systemet drives tæt ved den tærskel, hvor laseren begynder at fungere. Magnetisk resonans kan dermed flytte betingelserne nok til at slukke laserudsendelsen.

Forskerne rapporterer signalstyrker på op til 50 milliwatt. Det centrale er kombinationen af et stærkt signal og den store forskel mellem tilstandene. Normalt giver NV-baseret måling kun få procents optisk kontrast, forklarer Fraunhofer.

Instituttet fremhæver også en forbedring på op til en faktor 590 i forholdet mellem følsomhedsgrænse og dynamisk område. Det tal gælder et bestemt sammenligningsmål. Det kan ikke oversættes til, at apparatet uden videre måler alle magnetfelter 590 gange mere præcist.

Den bedste følsomhed er endnu en beregnet grænse

Studiet beregner en fundamental følsomhedsgrænse under 400 femtotesla pr. kvadratrod hertz for alle feltets vektorkomponenter. Beregningen tager udgangspunkt i fotonernes skudstøj. Forfatterne understreger udtrykkeligt, at de ikke har opnået disse følsomheder som faktiske målinger.

Teknisk støj i lasersystemet står stadig i vejen. Der er derfor forskel på at demonstrere en lovende aflæsningsmekanisme og at bygge et instrument, som udnytter hele dens potentiale. Den forskel er afgørende, når resultatet vurderes som mulig ny teknologi. Et tydeligt lyssignal er et vigtigt skridt, men det samlede måleresultat afhænger også af, hvor stabilt resten af instrumentet fungerer.

Fra laboratoriebord til hjælpemiddel

Arbejdet er en del af NeuroQ, et projekt med blandt andre Fraunhofer IAF, Charité og Universität Stuttgart. Projektet løber fra 2022 til 2027 og skal udvikle diamantbaserede sensorer til hjerne-computer-grænseflader. Målet er på længere sigt mere præcis styring af håndeksoskeletter.

Sådanne systemer skal omsætte hjerneaktivitet til kommandoer til et hjælpemiddel. NeuroQ beskriver måling fra hovedets overflade som en vej, der kan undgå kirurgi i hjernen. Men mere komplekse bevægelser stiller store krav til, hvilke signaler der kan opfanges og fortolkes.

Projektets mål omfatter også demonstrationer med magnetiske signaler fra muskler og hjerne. Det er udviklingsmål, som skal holdes adskilt fra det aktuelle laserforsøg. Den nye artikel dokumenterer ikke, at den beskrevne sensor allerede har givet patienter bedre kontrol over et eksoskelet.

Også navigation kan få gavn af magnetsensorer. NIST beskriver eksempelvis, hvordan målinger af jordskorpens magnetfelt kan sammenholdes med magnetiske kort og andre instrumentdata. Det illustrerer, hvorfor både små feltændringer og et stort måleområde er interessante. Før den nye lasermetode kan gøre nytte uden for laboratoriet, skal dens beregnede fordele dog omsættes til stabile målinger i et praktisk system.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.