Primera medición mundial de emisión estimulada dependiente del campo magnético

Demostrador de un magnetómetro de umbral láser. La perspectiva muestra la cavidad donde los científicos midieron la amplificación y la emisión estimulada dependiente del campo magnético. © Fraunhofer IAF / Demonstrador de un magnetómetro de umbral láser. La perspectiva muestra la cavidad donde los científicos midieron la amplificación y la emisión estimulada dependiente del campo magnético. © Fraunhofer IAF

La medición muestra el récord de contraste de casi el 33 por ciento en la emisión estimulada dependiente del campo magnético (azul) en comparación con la emisión espontánea (rojo). © Fraunhofer IAF / La medición muestra el récord de contraste de casi el 33 por ciento para la emisión estimulada dependiente del campo magnético (azul) en comparación con la emisión espontánea (rojo). © Fraunhofer IAF

En medicina se miden los campos magnéticos de las actividades cardíacas y cerebrales para diagnosticar enfermedades de forma temprana. Para medir incluso los campos magnéticos más pequeños, investigadores del Fraunhofer IAF trabajan en un nuevo enfoque: la magnetometría de umbral láser basada en diamantes. En este método, se utilizará diamante con una alta densidad de centros de vacancia de nitrógeno en un sistema láser. Ahora, los investigadores han logrado un hito importante: pudieron mostrar la primera medición mundial de emisión estimulada dependiente del campo magnético e incluso establecer un nuevo récord de contraste. Con esto, han demostrado por primera vez el principio de la magnetometría de umbral láser. Los resultados fueron publicados en la revista especializada Science Advances.

En el diagnóstico médico, se necesitan sensores sensibles para medir, por ejemplo, los débiles campos magnéticos de las actividades cardíacas y cerebrales (MKG, MEG) del cuerpo humano. Los procedimientos basados en la detección de campos magnéticos, como la resonancia magnética (RM), permiten diagnosticar enfermedades de forma temprana. Sin embargo, la precisión necesaria solo la alcanzan unos pocos sensores de campo magnético altamente sensibles, que representan grandes obstáculos técnicos para su aplicación clínica. Los sensores SQUID ya establecidos requieren un costoso enfriamiento a temperaturas muy bajas, alrededor de -270 °C. Otra opción son los magnetómetros de celdas de gas opticamente bombeadas (OPMs). Aunque alcanzan sensibilidades muy altas sin necesidad de enfriamiento criogénico, tienen la desventaja de requerir una protección absoluta contra todos los campos de fondo, incluido el campo magnético terrestre, lo que implica exigentes requisitos constructivos para las salas y edificios. Por ello, en la práctica clínica siguen predominando las mediciones eléctricas menos precisas (ECG, EEG).

En el Instituto Fraunhofer para Física del Estado Sólido Aplicada IAF en Friburgo, un equipo de investigación ya trabaja en una alternativa más adecuada: «Nuestro objetivo es desarrollar un sensor de campo magnético extremadamente sensible que funcione a temperatura ambiente y también en presencia de campos de fondo existentes, haciéndolo así práctico para su uso clínico», explica el Dr. Jan Jeske, director del proyecto en el Fraunhofer IAF.

Medir los campos magnéticos más pequeños con diamante y láser

En el proyecto financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación titulado «Diamante CVD dopado con NV para magnetometría de umbral láser ultra sensible» (abreviado: DiLaMag), Jeske y su equipo investigan un enfoque completamente nuevo a nivel mundial para sensores cuánticos de campo magnético altamente sensibles: se utilizará diamante por primera vez en un sistema láser, permitiendo mediciones de campo magnético mucho más precisas.

Para este proyecto, se dota al diamante de una alta densidad de centros de vacancia de nitrógeno (NV). «Debido a sus propiedades materiales, el diamante con una alta densidad de NV puede mejorar significativamente la precisión de medición cuando se usa como medio láser», explica Jeske. Los centros NV en diamante son sistemas atómicos compuestos por un átomo de nitrógeno y un defecto de carbono. Absorben luz verde y emiten luz roja. Dado que la intensidad luminosa de estos pequeños centros atómicos NV depende de la fuerza de un campo magnético externo, pueden ser utilizados para medir campos magnéticos con alta resolución local y buena sensibilidad.

Primera demostración experimental de la magnetometría de umbral láser

Tras varios años de investigación, el equipo de Jeske ha alcanzado un hito importante: ha demostrado la primera medición mundial de emisión estimulada dependiente del campo magnético. Además, los investigadores hicieron un descubrimiento interesante: «Observamos un proceso físico muy relevante y hasta ahora desconocido en NV-diamante: la absorción inducida por la iluminación con láser verde de la luz roja», informa Jeske.

Utilizando diamante con NV como medio láser, no solo lograron un aumento del 64 % en la potencia de la señal mediante emisión estimulada. El equipo también estableció un récord mundial: la emisión dependiente del campo magnético mostró un contraste del 33 % y una potencia máxima de salida en el rango de los mW. Esto representa un nuevo récord de contraste en magnetometría con conjuntos de NV.

Esto se debe a la emisión estimulada. «Pudimos demostrar que este récord no sería posible con emisión espontánea. Así, hemos demostrado experimentalmente por primera vez el principio teórico de la magnetometría de umbral láser», enfatiza Jeske.

Estos resultados también muestran las ventajas de la magnetometría de umbral láser basada en diamante frente a los métodos convencionales y prueban que es posible medir los campos magnéticos más pequeños con esta técnica.

Grandes avances en la producción de diamantes con NV

El concepto de magnetometría de umbral láser solo funciona si el diamante tiene una densidad muy alta de centros NV y mantiene buenas propiedades ópticas. Por ello, el equipo de investigación ha realizado extensos trabajos en materiales para optimizar el diamante. Estas tareas incluyen, por un lado, la fabricación de diamantes mediante CVD (Deposición de Vapor de Composición Química) y, por otro, tratamientos posteriores con electrones y calor para aumentar la densidad de NV.

En el crecimiento del diamante por CVD, que permite una incorporación muy precisa y controlada de centros NV, los investigadores ya lograron una alta dopación de nitrógeno. Mediante irradiación con electrones, determinaron una fluencia óptima para la densidad de nitrógeno y lograron aumentar la densidad de NV entre 20 y 70 veces. Los espectros de absorción les permitieron seguir en vivo la formación de los centros NV. En las caracterizaciones, establecieron las relaciones entre tres factores clave para conjuntos de NV óptimos y los optimizaron: una alta densidad de NV, una alta conversión de nitrógeno sustitutivo mediante irradiación con alta fluencia y una alta estabilidad de carga. Gracias a estos estudios exhaustivos, el equipo del Fraunhofer IAF logró por primera vez producir diamantes CVD con una alta densidad de centros NV y buena calidad, sentando así las bases para el desarrollo de la magnetometría de umbral láser basada en diamantes para medir campos magnéticos muy pequeños.

La Universidad RMIT (Australia), los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica y Radiológica (Japón) y el College of Staten Island (EE. UU.) colaboraron en la publicación científica.

El Ministerio Federal de Educación e Investigación apoya el proyecto DiLaMag en el marco del concurso de jóvenes investigadores «NanoMatFutur», una iniciativa para fomentar jóvenes científicos altamente cualificados en el campo de la investigación de materiales (Referencia: 13XP5063).

Publicación en Science Advances:
Emisión estimulada dependiente del campo magnético en centros de nitrógeno-vacante en diamante, Hahl et al., Sci. Adv. 8, eabn7192 (2022)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7192

Otras publicaciones científicas:
– Creación de centros de vacancia de nitrógeno en diamante de deposición química en vapor para aplicaciones de detección, T Luo et al 2022 New J. Phys. 24 033030; https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac58b6
– Manipulación de la eficiencia de dopaje in situ de nitrógeno-vacante en diamantes crecidos por CVD, J. Langer et al, Phys. Status Solidi A 2022, 2100756; https://doi.org/10.1002/pssa.202100756