Un sistem laser cu diamant atinge un contrast optic de 100% în citirea câmpului magnetic
Cercetătorii de la Fraunhofer IAF au dezvoltat un senzor cuantic amplificat cu laser care combină o sensibilitate ridicată la câmpul magnetic cu un interval dinamic larg. Folosind magnetometria cu prag laser, echipa a îmbunătățit raportul dintre sensibilitate și intervalul dinamic cu un factor de până la 590 față de abordările de ultimă generație. Rezultatele, publicate în Nature Communications, deschid noi perspective pentru diagnosticul medical, navigație și explorarea resurselor.
Senzorii de câmp magnetic bazați pe centrele azot-vacanță (NV) din diamant se numără printre cei mai performanți senzori cuantici în stare solidă. Aceștia funcționează la temperatura camerei, pot fi integrați în dispozitive compacte și permit magnetometria vectorială, adică măsurarea atât a mărimii, cât și a direcției unui câmp magnetic. Progresele recente au îmbunătățit sensibilitatea acestora până în intervalul sub-pT/√Hz, relevant pentru detectarea semnalelor cardiace.
Până în prezent, însă, cercetătorii au trebuit să facă un compromis: senzorii cu sensibilitate foarte ridicată oferă un interval dinamic foarte limitat, în timp ce variantele mai robuste, cu un interval dinamic larg, sunt considerabil mai puțin sensibile. Pentru a depăși această limitare, cercetătorii de la Institutul Fraunhofer pentru Fizică de Stare Solidă Aplicată IAF urmează abordarea magnetometriei cu prag laser, care atenuează acest compromis prin combinarea sensibilității ridicate cu un interval dinamic larg. În această abordare, centrele NV din diamant sunt integrate direct într-o cavitate laser ca element optic, unde acționează ca un canal de pierdere dependent de câmpul magnetic. În loc să măsoare fluorescența NV, cercetătorii folosesc semnalul laser al sistemului ca semnal de citire.
Prima demonstrație a unui contrast optic de 100%
Cercetătorii demonstrează un astfel de magnetometru cu prag laser cu două medii. Cuplajul puternic al centrelor NV la câmpul cavității amplifică răspunsul senzorului la modificările câmpului magnetic. Sistemul laser atinge astfel un contrast optic de 100%, față de câteva procente tipice pentru magnetometria NV. De asemenea, el furnizează un semnal laser coerent de citire, cu o putere de ieșire de până la 50 mW, substanțial mai mare decât cea a citirii convenționale prin fluorescență NV. Dacă zgomotul dominant este cel de tip shot-noise fotonic, această combinație de contrast ridicat și semnal puternic oferă o sensibilitate sub 400 fT/√Hz pentru fiecare dintre cele trei componente ale vectorului câmpului magnetic.
Studiul oferă totodată prima demonstrație experimentală că sensibilitatea atingibilă se îmbunătățește mai mult decât liniar pe măsură ce contrastul optic se apropie de 100%.
O îmbunătățire de până la 590 de ori
Raportul dintre limita de sensibilitate și intervalul dinamic este crucial, deoarece îmbunătățirea unuia se face de obicei în detrimentul celuilalt. Comparativ cu senzorii NV convenționali bazați pe fluorescență și cu magnetometrele cu celule de vapori, sistemul laser cu diamant NV îmbunătățește acest raport cu până la un factor de 590, păstrând totodată capacitatea de magnetometrie vectorială.
„Abordarea noastră ar putea rezolva un compromis care a limitat mult timp dezvoltarea și aplicarea senzorilor de câmp magnetic. Ar putea deschide calea către o nouă generație de senzori de câmp magnetic mobili și foarte sensibili”, spune Florian Schall, primul autor al lucrării și cercetător în domeniul sensingului cuantic la Fraunhofer IAF.
În urmă cu un deceniu, dr. Jan Jeske, șeful Grupului de Sensing Cuantic de la Fraunhofer IAF, a fost primul care a dezvoltat un model teoretic pentru un sistem laser dependent de câmpul magnetic, bazat pe un diamant care conține centre NV. „Perspectiva îmbunătățirii substanțiale a performanței de sensing ne-a motivat să urmăm pe termen lung magnetometria cu prag laser. Sunt foarte bucuros că am demonstrat acum experimental deplasarea pragului de emisie laser dependentă de câmpul magnetic”, spune Jeske.
Aplicațiile potențiale ale acestor senzori cuantici includ detectarea semnalelor biomagnetice de la inimă, mușchi și creier, navigația bazată pe câmpul magnetic și identificarea anomaliilor magnetice, de exemplu în explorarea resurselor și în aplicații de securitate.
