Pierwszy na świecie pomiar emisji stymulowanej zależnej od pola magnetycznego

Demonstrator lasera progowego magnetometru. Perspektywa ukazuje komorę, w której mierzono wzmocnienie oraz stymulowaną emisję zależną od pola magnetycznego. © Fraunhofer IAF / Demonstrator lasera progowego magnetometru. Perspektywa ukazuje komorę, w której naukowcy zmierzyli wzmocnienie i stymulowaną emisję zależną od pola magnetycznego. © Fraunhofer IAF

Pomiar pokazuje rekord kontrastu prawie 33 procent dla stymulowanej emisji zależnej od pola magnetycznego (niebieski) w porównaniu z emisją spontaniczną (czerwony). © Fraunhofer IAF / The measurement shows the contrast record of almost 33 percent for stimulated magnetic field-dependent emission (blue) compared to spontaneous emission (red). © Fraunhofer IAF

W medycynie mierzy się pola magnetyczne aktywności serca i mózgu, aby wczesne diagnozować choroby. Aby także mierzyć najdrobniejsze pola magnetyczne, naukowcy z Fraunhofer IAF pracują nad nowym podejściem: magnetometrią laserową opartą na diamencie. W tym celu do systemu laserowego ma być używany diament o wysokiej gęstości centrów wolnych od azotu (NV). Teraz naukowcom udało się osiągnąć kamień milowy: mogli wykazać pierwsze na świecie pomiary zależnej od pola magnetycznego stymulowanej emisji i nawet ustanowić nowy rekord kontrastu. Tym samym po raz pierwszy zademonstrowali zasadę magnetometrii opartej na progu laserowym. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.

W diagnostyce medycznej potrzebne są czułe czujniki, aby na przykład mierzyć słabe pola magnetyczne aktywności serca i mózgu (MKG, MEG) ludzkiego ciała. Metody oparte na detekcji pól magnetycznych, takie jak rezonans magnetyczny (MRI), umożliwiają wczesne diagnozowanie chorób. Jednakże wymagana precyzja jest osiągana tylko przez niewiele wysoko czułych czujników pola magnetycznego, które stanowią duże wyzwanie techniczne dla zastosowań klinicznych. Już ustabilizowane czujniki SQUID wymagają skomplikowanego chłodzenia w niskich temperaturach około -270 °C. Inną możliwością są optycznie pompowane magnetometry gazowe (OPM). Te osiągają wysoką czułość nawet bez chłodzenia kriogenicznego, mają jednak wadę, że potrzebują absolutnej ekranizacji wszystkich tła pola, w tym pola magnetycznego Ziemi, co stawia wysokie wymagania techniczne wobec pomieszczeń i budynków. Dlatego w codziennej praktyce klinicznej nadal stosuje się mniej precyzyjne pomiary elektryczne (EKG, EEG).

W Instytucie Fraunhofer für Angewandte Festkörperphysik IAF we Freiburgu zespół badawczy pracuje nad bardziej odpowiednią alternatywą: „Naszym celem jest opracowanie ekstremalnie czułego czujnika pola magnetycznego, który działa w temperaturze pokojowej oraz w obecności tła pola i jest tym samym praktyczny do zastosowań klinicznych“, wyjaśnia dr Jan Jeske, kierownik projektu w Fraunhofer IAF.

Pomiar najdrobniejszych pól magnetycznych za pomocą diamentu i lasera

W projekcie finansowanym przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań „CVD diament z domieszką NV do ultraczułej magnetometrii laserowej“ (w skrócie: DiLaMag) Jeske wraz ze swoim zespołem pracuje nad nowym na skalę światową podejściem do wysoko czułych czujników kwantowych pola magnetycznego: diament ma być po raz pierwszy użyty w systemie laserowym, co umożliwi znacznie dokładniejsze pomiary pola magnetycznego.

Do tego celu diament ma być wyposażony w wysoką gęstość centrów wolnych od azotu (NV). „Ze względu na swoje właściwości materiałowe diament z wysoką gęstością NV może znacznie poprawić precyzję pomiaru, gdy jest używany jako medium laserowe“, wyjaśnia Jeske. Centra NV w diamencie to układy atomowe z atomem azotu i defektem węgla. Absorbują zielone światło i emitują czerwone. Ponieważ jasność tych atomowych centrów NV zależy od siły zewnętrznego pola magnetycznego, można je wykorzystać do pomiaru pól magnetycznych z wysoką lokalną rozdzielczością i dobrą czułością.

Pierwsza eksperymentalna demonstracja magnetometrii opartej na progu laserowym

Po wieloletnich wysiłkach badawczych zespół Jeske osiągnął ważny kamień milowy: zademonstrował pierwszy na świecie pomiar zależnej od pola magnetycznego stymulowanej emisji. Naukowcy dokonali przy tym ciekawego odkrycia: „Zaobserwowaliśmy bardzo istotny i dotąd nieznany w diamencie NV proces fizyczny: absorpcję indukowaną przez zielone światło laserowe czerwonego światła“, relacjonuje Jeske.

Używając diamentu NV jako medium laserowego, osiągnęli nie tylko wzmocnienie sygnału przez stymulowaną emisję o 64 procent. Zespół badawczy mógł nawet ustanowić rekord światowy: emisja zależna od pola magnetycznego wykazuje kontrast 33 procent i maksymalną moc wyjściową w zakresie mW. To nowy rekord kontrastu w magnetometrii z zespołami NV.

Za to odpowiada stymulowana emisja. „Udało nam się pokazać, że ten rekord nie byłby możliwy bez emisji spontanicznej. Tym samym po raz pierwszy eksperymentalnie zademonstrowaliśmy zasadę magnetometrii opartej na progu laserowym“, podkreśla Jeske.

Te wyniki pokazują również zalety diamentowej magnetometrii laserowej opartej na progu w porównaniu z konwencjonalnymi metodami i dowodzą, że możliwe jest pomiar najdrobniejszych pól magnetycznych.

Duże postępy w produkcji diamentów NV

Koncept magnetometrii opartej na progu laserowym działa tylko wtedy, gdy diament ma bardzo wysoką gęstość centrów NV i jednocześnie dobre właściwości optyczne. Z tego powodu zespół badawczy przeprowadził szeroko zakrojone prace nad materiałem, aby zoptymalizować diament. Prace te obejmowały zarówno produkcję diamentów metodą CVD (Chemical Vapour Deposition), jak i obróbkę końcową za pomocą naświetlania elektronami i obróbki termicznej w celu zwiększenia gęstości NV.

Podczas wzrostu diamentów metodą CVD, co umożliwia precyzyjne i kontrolowane wprowadzanie centrów NV, naukowcy osiągnęli już wysoką domieszkę azotu. Za pomocą naświetlania elektronami ustalili optymalną fluencję dla gęstości azotu, co pozwoliło na zwiększenie gęstości NV od 20 do 70 razy. Spektroskopia absorpcji umożliwiła im śledzenie na żywo powstawania centrów NV. Podczas charakteryzacji zidentyfikowali zależności między trzema kluczowymi czynnikami dla optymalnych zespołów NV: wysoką gęstością NV, wysoką konwersją domieszkowanego azotu za pomocą naświetlania z wysoką fluencją oraz wysoką stabilnością ładunku. Dzięki tym szczegółowym badaniom zespół z Fraunhofer IAF po raz pierwszy zdołał wyprodukować diament CVD o wysokiej gęstości centrów NV i dobrej jakości, co stworzyło warunki do rozwoju diamentowej magnetometrii laserowej opartej na progu do pomiaru najdrobniejszych pól magnetycznych.

W naukowym opracowaniu brali udział uniwersytet RMIT (Australia), Narodowe Instytuty Nauki o Kwantach i Technologii Radiacyjnej (Japonia) oraz College of Staten Island (USA).

Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań finansuje projekt DiLaMag w ramach konkursu „NanoMatFutur“ – inicjatywy wspierającej wysoko wykwalifikowaną młodą kadrę naukową w dziedzinie badań materiałowych (FKZ: 13XP5063).

Publikacja w Science Advances:
Stymulowana emisja zależna od pola magnetycznego z centrów azotowo-wolnych w diamencie, Hahl i in., Sci. Adv. 8, eabn7192 (2022)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7192

Inne publikacje naukowe:
– Tworzenie centrów azotowo-wolnych w diamencie metodą CVD do zastosowań sensorycznych, T Luo i in., 2022 New J. Phys. 24 033030; https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac58b6
– Manipulacja efektywnością domieszkowania azotem wytwarzanego w miejscu diamantu CVD, J. Langer i in., Phys. Status Solidi A 2022, 2100756; https://doi.org/10.1002/pssa.202100756