První měření na světě závislé na magnetickém poli stimulované emise

Demonstrátor laserového prahového magnetometru. Perspektiva ukazuje dutinu, ve které byla měřena zesílení a závislá na magnetickém poli stimulovaná emise. © Fraunhofer IAF / Demonstrátor laserového prahového magnetometru. Perspektiva ukazuje dutinu, ve které vědci měřili zesílení a závislou na magnetickém poli stimulovanou emisi. © Fraunhofer IAF

Měření ukazuje rekordní kontrast téměř 33 procent u stimulované magneticky závislé emise (modrá) ve srovnání s spontánní emisí (červená). © Fraunhofer IAF / Měření ukazuje rekordní kontrast téměř 33 procent u stimulované magneticky závislé emise (modrá) ve srovnání s spontánní emisí (červená). © Fraunhofer IAF

V medicíně jsou měřena magnetická pole srdeční a mozkové aktivity, aby bylo možné včas diagnostikovat nemoci. Aby bylo možné měřit i ta nejmenší magnetická pole, pracují výzkumníci z Fraunhofer IAF na novém přístupu: magnetometrii založené na diamantové laserové prahové magnetometrii. Při tom má být diamant použit v laserovém systému s vysokou hustotou dusíkových vakancí. Nyní se výzkumníkům podařil důležitý milník: dokázali ukázat první celosvětové měření závislé na magnetickém poli stimulované emise a dokonce stanovili nový rekord kontrastu. Tím poprvé demonstrovali princip laserové prahové magnetometrie. Výsledky byly publikovány v odborném časopise Science Advances.

V lékařské diagnostice jsou potřeba citlivé senzory k měření například slabých magnetických polí srdeční a mozkové aktivity (MKG, MEG) lidského těla. Metody založené na detekci magnetických polí, například magnetická rezonance (MRI), umožňují včasnou diagnostiku nemocí. Potřebná přesnost je však dosažitelná pouze několika vysoce citlivými magnetickými senzory, které představují velké technické překážky pro klinické použití. Již zavedené senzory SQUID vyžadují složité chlazení na velmi nízké teploty kolem -270 °C. Další možností jsou opticky pumpované magnetometry s plynovými buňkami (OPMs). Ty dosahují vysoké citlivosti i bez kryogenního chlazení, mají však nevýhodu, že vyžadují úplné stínění všech pozadíových polí, včetně zemského magnetického pole, což klade velké nároky na prostory a budovy. Proto jsou v klinické praxi stále běžnější méně přesné elektrické měření (EKG, EEG).

Na Fraunhoferově ústavu pro aplikovanou pevnolátkovou fyziku IAF ve Freiburgu již výzkumný tým pracuje na vhodnější alternativě: „Naším cílem je vyvinout extrémně citlivý magnetometr, který bude fungovat při pokojové teplotě a v přítomnosti pozadíových polí, a tím bude praktický pro klinické použití,“ vysvětluje Dr. Jan Jeske, vedoucí projektu ve Fraunhofer IAF.

S měřením nejmenších magnetických polí pomocí diamantu a laseru

V projektu s názvem „NV-dotovaný CVD-diamant pro ultra citlivou laserovou prahovou magnetometrii“ (zkráceně: DiLaMag), který financuje Spolkové ministerstvo pro vzdělávání a výzkum, pracuje Jeske se svým týmem na celosvětově novém přístupu k vysoce citlivým kvantovým magnetometrem: diamant má být poprvé použit v laserovém systému, což umožní mnohem přesnější měření magnetických polí.

Pro tento záměr bude diamant vybaven vysokou hustotou dusíkových vakancí (NV-vakancí). „Díky svým vlastnostem může diamant s vysokou hustotou NV-vakancí výrazně zlepšit přesnost měření, pokud je použit jako laserové médium,“ vysvětluje Jeske. NV-vakance v diamantu jsou atomové systémy složené z dusíkového atomu a uhlíkové defektové oblasti. Absorbují zelené světlo a emitují červené světlo. Jelikož jas těchto atomárních NV-vakancí závisí na síle vnějšího magnetického pole, lze je využít k měření magnetických polí s vysokým místním rozlišením a dobrou citlivostí.

První experimentální demonstrace laserové prahové magnetometrie

Po několikaletém výzkumu tým Jeske dosáhl důležitého milníku: předvedl první celosvětové měření závislé na magnetickém poli stimulované emise. Výzkumníci při tom učinili zajímavý objev: „Pozorovali jsme velmi relevantní a dosud v NV-diamantu neznámý fyzikální proces: absorpci červeného světla indukovanou zeleným laserovým zářením,“ uvádí Jeske.

S NV-diamantem jako laserovým médiem dosáhli nejen zesílení signálu o 64 procent díky stimulované emisi. Tým dokonce stanovil světový rekord: závislá na magnetickém poli emise vykazuje kontrast 33 procent a maximální výstupní výkon v mW rozsahu. Jedná se o nový rekord v kontrastu v magnetometrii s NV-soubory.

Za tím stojí stimulovaná emise. „Ukázali jsme, že tento rekord by nebyl možný s náhodnou emisí. Tím jsme poprvé experimentálně demonstrovali teoretický princip laserové prahové magnetometrie,“ zdůrazňuje Jeske.

Tato zjištění rovněž ukazují výhody diamantové laserové prahové magnetometrie oproti konvenčním metodám a dokazují, že je možné měřit i ta nejmenší magnetická pole.

Velký pokrok ve výrobě NV-diamantu

Koncept laserové prahové magnetometrie funguje pouze tehdy, pokud diamant vykazuje velmi vysokou hustotu NV-vakancí a zároveň si zachovává dobré optické vlastnosti. Proto tým provedl rozsáhlé materiálové práce na optimalizaci diamantu. Ty zahrnují výrobu diamantu pomocí CVD (chemická parní depozice) a následné zpracování pomocí elektronového záření a tepelné úpravy pro zvýšení hustoty NV-vakancí.

Při růstu diamantu metodou CVD, který umožňuje velmi přesnou a kontrolovanou integraci NV-vakancí, již výzkumníci dosáhli vysoké dusíkové dopování. Pomocí elektronového záření stanovili optimální intenzitu záření pro zvýšení dusíkové hustoty a tím zvýšili hustotu NV-vakancí 20 až 70krát. Absorpční spektra jim umožnila sledovat vznik NV-vakancí v reálném čase. Při charakterizaci identifikovali souvislosti mezi třemi klíčovými faktory pro optimální NV-soubory: vysokou hustotou NV-vakancí, vysokou konverzí substituovaného dusíku pomocí záření s vysokou intenzitou a vysokou stabilitou náboje. Díky těmto podrobným studiím se týmu z Fraunhofer IAF poprvé podařilo vyrobit CVD-diamant s vysokou hustotou NV-vakancí a dobrou kvalitou, čímž vytvořili předpoklady pro vývoj diamantové laserové prahové magnetometrie pro měření nejmenších magnetických polí.

Na vědecké publikaci se podílely RMIT University (Austrálie), Národní instituce pro kvantovou a radiační vědu a technologii (Japonsko) a College of Staten Island (USA).

Spolkové ministerstvo pro vzdělávání a výzkum financuje projekt DiLaMag v rámci soutěže „NanoMatFutur“ – opatření na podporu vysoce kvalifikovaného vědeckého mládeže v oblasti materiálového výzkumu (kód: 13XP5063).

Publikace v Science Advances:
Magnetic-Field-Dependent Stimulated Emission from Nitrogen-Vacancy Centres in Diamond, Hahl et al., Sci. Adv. 8, eabn7192 (2022)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7192

Další vědecké publikace:
– Creation of nitrogen-vacancy centers in chemical vapor deposition diamond for sensing applications, T Luo et al 2022 New J. Phys. 24 033030; https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac58b6
– Manipulation of the In Situ Nitrogen-Vacancy Doping Efficiency in CVD-Grown Diamond, J. Langer et al, Phys. Status Solidi A 2022, 2100756; https://doi.org/10.1002/pssa.202100756