Prima misurazione mondiale dell'emissione stimolata dipendente dal campo magnetico

Dimostratore di un magnetometro a soglia laser. La prospettiva mostra la cavità in cui sono state misurate l'amplificazione e l'emissione stimolata dipendente dal campo magnetico. © Fraunhofer IAF / Dimostratore di un magnetometro a soglia laser. La prospettiva mostra la cavità in cui i ricercatori hanno misurato l'amplificazione e l'emissione stimolata dipendente dal campo magnetico. © Fraunhofer IAF

La misurazione mostra il record di contrasto di quasi il 33 percento per l'emissione stimolata dipendente dal campo magnetico (blu) rispetto all'emissione spontanea (rosso). © Fraunhofer IAF

In medicina vengono misurati i campi magnetici dell'attività cardiaca e cerebrale per diagnosticare precocemente le malattie. Per misurare anche i più piccoli campi magnetici, i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer IAF stanno lavorando a un nuovo approccio: la magnetometria a soglia laser basata sul diamante. In questo metodo, il diamante con un'alta densità di centri di vacanza di azoto viene impiegato in un sistema laser. Ora i ricercatori hanno raggiunto una pietra miliare: sono riusciti a mostrare per la prima volta nel mondo una misurazione della stimolata emissione dipendente dal campo magnetico e hanno persino stabilito un nuovo record di contrasto. Con questo hanno dimostrato per la prima volta il principio della magnetometria a soglia laser. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.

Per la diagnostica medica sono necessari sensori sensibili per misurare, ad esempio, i deboli campi magnetici delle attività cardiache e cerebrali (MKG, MEG) del corpo umano. Procedure basate sulla rilevazione di campi magnetici, come la risonanza magnetica (RM), consentono di diagnosticare precocemente le malattie. Tuttavia, la precisione richiesta viene raggiunta solo da pochi sensori di campo magnetico altamente sensibili, che pongono grandi sfide tecniche per l'applicazione clinica. I sensori SQUID già affermati richiedono un raffreddamento a basse temperature di circa -270 °C. Un'altra opzione sono i magnetometri a celle di gas pompate otticamente (OPMs). Questi raggiungono alte sensibilità anche senza raffreddamento criogenico, ma hanno lo svantaggio di richiedere una schermatura assoluta di tutti i campi di background, incluso il campo magnetico terrestre, imponendo così requisiti strutturali molto elevati per ambienti e edifici. Per questo motivo, nelle pratiche cliniche quotidiane si utilizzano ancora le misurazioni elettriche meno precise (ECG, EEG).

All'Istituto Fraunhofer per la fisica dei solidi applicata IAF a Friburgo, un team di ricerca sta già lavorando a un'alternativa più adatta: «Il nostro obiettivo è sviluppare un sensore di campo magnetico estremamente sensibile che funzioni a temperatura ambiente e anche in presenza di campi di background esistenti, rendendolo così praticabile per l'applicazione clinica», spiega il Dr. Jan Jeske, responsabile del progetto presso l'Istituto Fraunhofer IAF.

Misurare i campi magnetici più piccoli con diamante e laser

Nel progetto finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca intitolato «Diamante CVD con doping di azoto per la magnetometria a soglia laser ultra-sensibile» (abbreviato: DiLaMag), Jeske e il suo team stanno lavorando a un nuovo approccio mondiale per sensori di campo quantistici ad alta sensibilità: il diamante sarà utilizzato per la prima volta in un sistema laser, consentendo misurazioni di campo magnetico molto più precise.

Per il progetto, il diamante viene dotato di una elevata densità di centri di vacanza di azoto (NV). «Grazie alle sue proprietà materiali, il diamante con un'alta densità di centri NV può migliorare significativamente la precisione di misurazione quando viene usato come mezzo laser», spiega Jeske. I centri NV nel diamante sono sistemi atomici costituiti da un atomo di azoto e da una vacanza di carbonio. Assorbono luce verde e emettono luce rossa. Poiché la luminosità di questi centri atomici, molto piccoli, dipende dalla forza di un campo magnetico esterno, possono essere utilizzati per misurare campi magnetici con alta risoluzione locale e buona sensibilità.

Prima dimostrazione sperimentale della magnetometria a soglia laser

Dopo anni di sforzi di ricerca, il team di Jeske ha raggiunto una pietra miliare importante: ha dimostrato per la prima volta nel mondo una misurazione della stimolata emissione dipendente dal campo magnetico. Durante questa ricerca, i ricercatori hanno fatto una scoperta interessante: «Abbiamo osservato un processo fisico molto rilevante e finora sconosciuto nel diamante NV: l'assorbimento indotto dall'illuminazione laser verde della luce rossa», riferisce Jeske.

Utilizzando il diamante NV come mezzo laser, sono riusciti non solo ad amplificare il segnale tramite emissione stimolata del 64%. Il team di ricerca ha persino stabilito un record mondiale: l'emissione dipendente dal campo magnetico mostra un contrasto del 33% e una potenza di uscita massima nell'ordine di milliwatt. Questo rappresenta un nuovo record di contrasto nella magnetometria con insiemi di NV.

La causa di ciò è l'emissione stimolata. «Siamo riusciti a dimostrare che questo record non sarebbe stato possibile con l'emissione spontanea. Pertanto, abbiamo dimostrato sperimentalmente il principio teorico della magnetometria a soglia laser», sottolinea Jeske.

Questi risultati evidenziano anche i vantaggi della magnetometria a soglia laser basata sul diamante rispetto ai metodi convenzionali e dimostrano che è possibile misurare i campi magnetici più piccoli.

Progressi significativi nella produzione di diamanti NV

Il concetto di magnetometria a soglia laser funziona solo se il diamante presenta un'alta densità di centri NV e mantiene buone proprietà ottiche. Per questo motivo, il team di ricerca ha condotto ampi studi sul materiale per ottimizzare il diamante. Questi lavori comprendono la produzione di diamanti tramite deposizione chimica da vapore (CVD) e la successiva lavorazione tramite irradiazione con elettroni e trattamento termico per aumentare la densità di NV.

Nell'ambito della crescita del diamante tramite CVD, che permette un inserimento molto preciso e controllato dei centri NV, i ricercatori sono già riusciti a raggiungere un'alta doping di azoto. Tramite irradiazione con elettroni, hanno determinato un'ottima fluorescenza per la densità di azoto e ottenuto un aumento della densità di NV di un fattore tra 20 e 70. Gli spettri di assorbimento hanno permesso di monitorare in tempo reale la formazione dei centri NV. Durante le analisi, sono stati identificati e ottimizzati tre fattori chiave per ensemble NV ottimali: alta densità di NV, alta conversione di azoto sostituito tramite irradiazione ad alta fluorescenza e alta stabilità di carica. Grazie a questi studi approfonditi, il team dell'Istituto Fraunhofer IAF è riuscito per la prima volta a produrre diamanti CVD con un'alta densità di centri NV e buona qualità, creando le condizioni per lo sviluppo della magnetometria a soglia laser basata sul diamante per la misurazione dei campi magnetici più piccoli.

L'Università RMIT (Australia), l'Istituto Nazionale per la Scienza e la Tecnologia Quantistica e Radiologica (Giappone) e il College of Staten Island (USA) hanno collaborato alla pubblicazione scientifica.

Il Ministero federale dell'istruzione e della ricerca finanzia il progetto DiLaMag nell'ambito della competizione per giovani ricercatori «NanoMatFutur» – una misura di sostegno ai ricercatori altamente qualificati nel settore della ricerca sui materiali (codice di finanziamento: 13XP5063).

Pubblicazione su Science Advances:
Stimolata emissione dipendente dal campo magnetico da centri di azoto-vacanza nel diamante, Hahl et al., Sci. Adv. 8, eabn7192 (2022)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7192

Altre pubblicazioni scientifiche:
– Creazione di centri di azoto-vacanza nel diamante CVD per applicazioni di sensing, T Luo et al 2022 New J. Phys. 24 033030; https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac58b6
– Manipolazione dell'efficienza di doping in situ di azoto-vacanza nel diamante cresciuto con CVD, J. Langer et al, Phys. Status Solidi A 2022, 2100756; https://doi.org/10.1002/pssa.202100756