Diamantstaub ermöglicht eine kostengünstige, hocheffiziente Magnetfelddetektion

Anonim

Die Ingenieure von UC Berkeley haben ein Gerät entwickelt, das die für den Betrieb von Magnetfelddetektoren erforderliche Energie drastisch reduziert. Dies könnte die Messung der Magnetfelder revolutionieren, die durch unsere Elektronik, unseren Planeten und sogar unseren Körper fließen.

"Die besten magnetischen Sensoren, die es heute gibt, sind sperrig, funktionieren nur bei extremen Temperaturen und können Zehntausende von Dollars kosten", sagte Dominic Labanowski, der als Postdoktorand an der Entwicklung des aus stickstoffhaltigen Diamanten hergestellten Geräts mitgewirkt hat in der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik. "Unsere Sensoren könnten die schwierig zu bedienenden Sensoren in vielen Anwendungen ersetzen, von der Navigation über die medizinische Bildgebung bis hin zur Exploration natürlicher Ressourcen."

Jedes Mal, wenn ein auf Diamant basierender Sensor ein Magnetfeld misst, muss er zuerst mit 1 bis 10 Watt Mikrowellenstrahlung gestrahlt werden, um sie für Magnetfelder empfindlich zu machen, was genug Energie zum Schmelzen von elektronischen Komponenten ist. Die Forscher fanden einen neuen Weg, winzige Diamanten mit Mikrowellen mit 1000-mal weniger Energie anzuregen, wodurch es möglich wird, magnetische Sensoren zu schaffen, die in elektronische Geräte wie Mobiltelefone passen.

Diese Arbeit wurde von Sayeef Salahuddins Labor an der UC Berkeley in Zusammenarbeit mit Forschern der Ohio State University geleitet. Das Team meldet sein Gerät online am 7. September in der Fachzeitschrift Science Advances .

Defekte Diamanten

Bombardieren eines Diamanten mit einem Stickstoffgasstrahl kann einige seiner hochgeordneten Kohlenstoffatome zerstören und sie durch Stickstoffatome ersetzen. Diese Stickstoffeinschlüsse - sogenannte Stickstoff-Leerstellen (NV-Zentren) - haben einzigartige Eigenschaften, die von Wissenschaftlern gut verstanden werden.

"Sie können diese NV-Zentren als sehr leistungsfähige Sensoren verwenden, aber ihre Anwendungen waren bisher begrenzt, da sie sehr viel Energie benötigen, um sie zu lesen", sagte Labanowski.

Um Magnetfelder zu entdecken, müssen Wissenschaftler zunächst mit hochenergetischer Mikrowellenstrahlung auf die NV-Zentren treffen, die etwa dem Hundertstel der Leistung einer Standardmikrowelle oder dem Zehnfachen der Leistung eines durchschnittlichen Mobiltelefons entspricht. Sie beleuchten dann die NV-Zentren mit einem Laser, der von den Stickstoffatomen absorbiert und emittiert wird.

Die Stärke des Magnetfeldes hängt mit der Stärke des emittierten Laserlichts zusammen: Die Intensität des emittierten Lichts kann zur Messung der Feldstärke verwendet werden

Um das Gerät zu erstellen, platzierten die Forscher Diamant-Nanokristalle - mit Tausenden von NV-Zentren pro Stück - auf einem Film namens Multiferroikum. Diese neue Art von Material ist in der Lage, Mikrowellenenergie viel effizienter zu den Kristallen zu übertragen.

"Diese Technik senkt den Stromverbrauch der Sensoren drastisch und macht sie für realistische Anwendungen nutzbar", sagte Labanowski.

Bildgebung im Körper und unter der Erde

Medizinische Anwendungen von Magnetsensoren umfassen Magnetoenzephalographie, die Magnetfelder verwendet, um Gehirnwellen zu messen, oder Magnetokardiographie, die Magnetfelder verwendet, um die Herzfunktion abzubilden. Derzeit haben diese Maschinen die Größe eines kleinen Raumes und können bis zu 3 Millionen Dollar kosten.

"Mit Low-Power-NV-Sensoren könnten Sie sich vorstellen, eine Raumzellen-Magnetoenzephalographie-Maschine zu verwenden und sie in einen Helm zu verwandeln, was die Größe und die Kosten dramatisch reduziert", sagte Labanowski.

Die Sensoren könnten auch in Flugzeugen oder Drohnen eingesetzt werden, um bei der Entdeckung von Seltenerdmetallen im Untergrund zu helfen, oder sie könnten in Mobiltelefonen verwendet werden, um die Navigation zu verbessern.

Die Magnetfelddetektion ist nur eine Anwendung von NV-Zentren, sagt Salahuddin. Das Team plant, seine Technologie zu verfeinern, um NV-Zentren und andere Arten von Quantensystemen in einer Vielzahl von Anwendungen zu verwenden.

"Während wir die Magnetfeldsensorik betonten, könnte unsere Arbeit zu einer elektrischen Manipulation von Quantensystemen im Allgemeinen mit viel breiteren Anwendungsbereichen einschließlich Quantencomputer führen", sagte Salahuddin.

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