Pemetaan Medan Magnet 3D Real-Time dengan Pusat NV Berlian

• Alat baru menggunakan cacat Pusat Nitrogen-Kosong (NV) dalam berlian untuk secara bersamaan mendeteksi medan magnet dalam berbagai arah.
• Ia menciptakan citra 3D medan magnet secara real-time.
• Teknologi ini dapat digunakan di berbagai bidang termasuk fisika materi padat dan biologi.

Pemantauan vektor medan magnet dinamis secara real-time diperlukan dalam banyak aplikasi magnetometri, seperti navigasi magnetik, deteksi dan citra bidang magnet biomagnetik, dan deteksi anomali magnet.

Magnetometer skalar hanya mampu mengukur besarnya medan magnet, sedangkan magnetometer proyeksi vektor dapat mengukur proyeksi medan magnet sepanjang sumbu tertentu. Tapi bagaimana jika Anda ingin mengukur medan magnet dalam berbagai arah sekaligus.

Baru-baru ini, peneliti di Harvard University telah mengembangkan alat yang dapat merasakan medan magnet hampir segala sesuatu dari sistem materi padat hingga neuron yang berkeluar. Untuk melakukan ini, alat menggunakan salah satu berbagai cacat titik dalam berlian yang disebut Pusat Nitrogen-Kosong (NV). Ia mampu mendeteksi medan magnet dalam berbagai arah secara bersamaan.

Bagaimana Cara Kerjanya?

Peneliti membersubatkan wafers berlian berukuran 4 milimeter persegi dengan 4 sinyal microwave yang berbeda. Setiap sinyal dikonfigurasi untuk mengukur orientasi NV tertentu dan dithered (menambahkan noise putih untuk mengurangi distorsi sinyal amplitudo rendah) sesuai pola frekuensi-modulasi khusus. Ini memungkinkan mereka menganalisis bagaimana orientasi NV individual berperilaku dalam berbagai arah medan magnet.

Sampai sekarang, ini telah menjadi proses yang melelahkan dan memakan waktu untuk secara berkala beralih di antara frekuensi microwave untuk mengamati respons dari satu orientasi NV pada satu waktu. Alat baru ini mewakili perbaikan signifikan dibandingkan metodologi sebelumnya.

Teknik lama tidak bekerja untuk proses cepat seperti bidang magnet biomagnetik yang dihasilkan oleh neuron yang berkeluar. Ia tidak akan dapat menangkap semua informasi, tetapi teknik baru dapat mengukur medan magnet dalam berbagai arah pada waktu yang sama.

Dalam studi ini, peneliti mengumpulkan aliran data yang kontinu dari berlian saat medan magnet bervariasi. Alat baru dapat memproses data ini lebih cepat daripada mengumpilkannya, memungkinkan peneliti untuk mengamati amplitudo dan arah medan magnet secara real-time.

Referensi: APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | The Harvard Gazette

Sistem ini dibangun pada penelitian sebelumnya yang menggunakan pusat NV berlian untuk mengidentifikasi sinyal neural pada cacing laut. Itu hanya bukti prinsip. Sistem neuroscience yang efektif harus kompatibel dengan neuron mamalia, tetapi karena neuron yang berkeluar menghasilkan medan magnet yang tersusun dalam berbagai arah, pembuatan sistem seperti ini cukup sulit. Namun, alat yang baru dikembangkan menangani semua masalah ini dalam pemantauan magnet neuron.

Mengapa Mereka Menggunakan Pusat Nitrogen-Kosong?

Untuk tugas ini, pusat NV disusun dengan sempurna dalam jaring kristal berlian. Setiap pusat NV dibuat dengan menggantikan satu atom karbon dengan satu atom nitrogen dan kosongan bersebelahan. Karena setiap atom terhubung dengan 4 atom lainnya, ada 4 orientasi NV yang mungkin, masing-masing sensitif terhadap medan magnet yang berorientasi ke arah tersebut. Jadi, seseorang dapat menggunakan 4 jenis pusat NV untuk menentukan arah medan magnet.

Kredit para peneliti

Dalam eksperimen ini, peneliti menempatkan wafer berlian dalam medan magnet (dihasilkan di laboratorium) dan memancarkan cahaya laser padanya, menyebabkan mineral bersinar. Ketika pusat NV bereaksi terhadap perubahan medan magnet dan pola frekuensi-modulasi unik, kecerahan pusat NV berubah secara signifikan.

Peneliti melacak perubahan kecerahan dan menciptakan citra 3D medan magnet. Sekarang memungkinkan untuk mengamati semua 4 orientasi NV secara bersamaan dan menentukan medan magnet secara real time. Ini seperti mendengarkan 4 saluran radio yang berbeda pada waktu yang sama dan semuanya bermakna bersama.

Baca: Medan Magnet Pulsed Indoor Terkuat yang Pernah Dihasilkan

Meskipun ini adalah perbaikan kecil dari apa yang dilakukan ilmuwan lain, penulis percaya bahwa teknologi mereka dapat digunakan di berbagai bidang, termasuk fisika materi padat dan biologi.