Az első világszerte mért magnetföldfüggő stimulált emisszió

Egy lézerküszöb-magnetométer demonstrátora. A perspektíva mutatja a kavitetást, ahol a megerősítést és a mágneses térfüggő stimulált emissziót mérték. © Fraunhofer IAF / Egy lézerküszöb-magnetométer demonstrátora. A perspektíva mutatja a kavitetást, ahol a tudósok mérték a megerősítést és a mágneses térfüggő stimulált emissziót. © Fraunhofer IAF

A mérés majdnem 33 százalékos kontrasztrekordot mutat a stimulált mágneses térfüggő emisszió (kék) esetében a spontán emisszióhoz (piros) képest. © Fraunhofer IAF / A mérés majdnem 33 százalékos kontrasztrekordot mutat a stimulált mágneses térfüggő emisszió (kék) esetében a spontán emisszióhoz (piros) képest. © Fraunhofer IAF

Az orvostudományban mágneses mezőket mérnek a szív- és agyi aktivitásokból a betegségek korai diagnosztizálására. Ahhoz, hogy még a legkisebb mágneses mezőket is mérni tudják, a Fraunhofer IAF kutatói egy új megközelítésen dolgoznak: a gyémánt alapú lézerszintű mágnesmérőn. Ennek során a gyémántot magas nitrogén-vakancia központ sűrűséggel alkalmazzák egy lézeres rendszerben. Most a kutatók egy mérföldkövet értek el: sikerült bemutatniuk a világ első mágneses térfüggő stimulált emisszió mérését, sőt egy új kontrasztrekordot is felállítottak. Ezzel elsőként demonstrálták a lézerszintű mágnesmérő elvét. Az eredményeket a Science Advances szakfolyóiratban publikálták.

A medicinában érzékeny érzékelőkre van szükség például a gyenge mágneses mezők, mint a szív- és agyi aktivitások (MKG, MEG) méréséhez. Az olyan eljárások, mint a mágneses rezonancia képalkotás (MRI), lehetővé teszik a betegségek korai felismerését. Azonban ezt a precizitást csak néhány magas érzékenységű mágneses mező érzékelő képes elérni, amelyek klinikai alkalmazása nagy technikai kihívásokat jelent. A már jól ismert SQUID érzékelők például bonyolult alacsony hőmérsékleti (kb. -270 °C) hűtést igényelnek. Egy másik lehetőség az optikusan pumpált gázcellás mágnesmérő (OPM), amely magas érzékenységet ér el anélkül, hogy kriogén hűtést igényelne, azonban hátránya, hogy minden háttérmezőt, így a Föld mágneses mezejét is, abszolút árnyékolni kell, ami jelentős építészeti kihívásokat jelent. Ezért a klinikai gyakorlatban továbbra is a kevésbé pontos elektromos mérőmódszerek, például az EKG és EEG a gyakoribbak.

A Freiburgban található Fraunhofer Alkalmazott Szilárdtestfizikai Intézet (IAF) kutatócsoportja már egy megfelelőbb alternatíván dolgozik: „Célunk egy rendkívül érzékeny mágneses mező érzékelő kifejlesztése, amely szobahőmérsékleten és háttérmezők jelenlétében is működik, így klinikai alkalmazásra is alkalmas lehet” – magyarázza Dr. Jan Jeske, a projektvezető az IAF-nál.

Gyémánttal és lézerrel a legkisebb mágneses mezők mérésére

A Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium támogatásával megvalósuló „NV-dópeített CVD-gyémánt ultraérzékeny lézerszintű mágnesmérőhöz” (röviden: DiLaMag) projektben Jeske és csapata egy világszinten új megközelítéssel dolgozik a kvantum-mágneses mező érzékelők terén: a gyémántot első alkalommal alkalmazzák lézeres rendszerben, ezzel jelentősen növelve a mágneses tér mérési pontosságát.

A projekt során a gyémántot magas nitrogén-vakancia központ (NV-centerek) sűrűségével látják el. „Anyag tulajdonságai miatt a gyémánt magas NV-centersűrűséggel jelentősen javíthatja a mérési pontosságot, ha lézerszinkron médiumként alkalmazzuk” – magyarázza Jeske. Az NV-centerek atomrendszerek, amelyek egy nitrogén atomból és egy szénhiányból állnak. Ezek zöld fényt nyelnek el, és vörös fényt bocsátanak ki. Mivel ezek az atomikus NV-centerek fényessége a külső mágneses tér erősségétől függ, így használhatók magas helyi felbontású és jó érzékenységű mágneses tér mérésére.

Első kísérleti demonstráció a lézerszintű mágnesmérő elvéről

Évekig tartó kutatás után Jeske csapata elérte egy fontos mérföldkövet: bemutatták a világ első mágneses térfüggő stimulált emisszió mérését. A kutatók érdekes felfedezést tettek: „Észrevettünk egy nagyon releváns és eddig NV-gyémántban nem ismert fizikai folyamatot: a zöld lézerfény által indukált vörös fény abszorpcióját” – számol be Jeske.

NV-gyémánt lézerszinkron médiumként való alkalmazásával nemcsak a jel erősítését érték el stimulált emisszióval 64%-kal, hanem egy világrekordot is felállítottak: a mágneses térfüggő emisszió 33%-os kontrasztot mutat, és maximális kimeneti teljesítménye mW-es tartományban van. Ez új kontrasztrekord a NV-ensemble-eken alapuló mágnesmérésekben.

Ennek oka a stimulált emisszió. „Bizonyítottuk, hogy ez a rekord spontán emisszióval nem lett volna elérhető. Így elsőként demonstráltuk a lézerszintű mágnesmérő elvét kísérletileg” – hangsúlyozza Jeske.

Ezek az eredmények rámutatnak a gyémánt alapú lézerszintű mágnesmérő előnyeire a hagyományos módszerekkel szemben, és bizonyítják, hogy ezzel a módszerrel a legkisebb mágneses mezők mérhetők.

Nagy lépések a NV-gyémánt gyártásában

A lézerszintű mágnesmérő koncepció csak akkor működik, ha a gyémánt rendkívül magas NV-centersűrűséggel rendelkezik, miközben jó optikai tulajdonságokat is megőriz. Ezért a projektcsapat jelentős anyagfejlesztéseket végzett a gyémánt optimalizálása érdekében. Ezek közé tartozik a CVD (kémiai gőzfázisú lerakódás) módszerrel történő gyémántgyártás, valamint az elektronnyalábos besugárzás és hőkezelés a NV-sűrűség növelése érdekében.

A CVD-eljárás során, amely lehetővé teszi a NV-centerek precíz és kontrollált beépítését, már magas nitrogén-dózist értek el a kutatók. Elektronnyalábos besugárzással meghatározták az optimális fluenzet a nitrogén sűrűség növeléséhez, így a NV-sűrűség 20-70-szeres növekedését érték el. Az abszorpciós spektrumok lehetővé tették számukra a NV-centerek kialakulásának nyomon követését élőben. A jellemzés során azonosították és optimalizálták a három legfontosabb tényezőt az optimális NV-ensemble-ekhez: magas NV-sűrűség, a helyettesített nitrogén magas konverziója magas fluenzű besugárzással, valamint a magas töltésszabályozottság. Ezeknek a részletes vizsgálatoknak köszönhetően a Fraunhofer IAF csapata elsőként tudta gyártani a magas NV-centersűrűségű és jó minőségű CVD-gyémántot, ezzel megalapozva a gyémánt alapú lézerszintű mágnesmérő fejlesztését a legkisebb mágneses mezők mérésére.

A kutatásban részt vett az ausztráliai RMIT Egyetem, a Japán Nemzeti Kvantum- és Sugárzáskutató Intézetek, valamint a Staten Island Főiskola (USA).

A Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium támogatja a DiLaMag projektet a „NanoMatFutur” fiatal kutatói verseny keretében – ez egy olyan támogatási program, amely a magas színvonalú anyagtudományi fiatal kutatók támogatását célozza (FKZ: 13XP5063).

A publikáció helye: 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

További tudományos publikációk:
– Nitrogén-vakancia központok létrehozása kémiai gőzfázisú lerakódású gyémántban érzékelési alkalmazásokhoz, T Luo et al 2022 New J. Phys. 24 033030; https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac58b6
– Az In Situ Nitrogén-Vakancia Szennyezés Hatékonyságának Manipulálása CVD-Gyártású Gyémántban, J. Langer et al, Phys. Status Solidi A 2022, 2100756; https://doi.org/10.1002/pssa.202100756