Сегодня для ученых не представляет никаких проблем измерить силу магнитного поля — для этого есть специальные приборы, называемые магнитометрами. Однако существуют очень слабые по своей мощности магнитные поля, точно измерить которые очень сложно. К примеру, такие поля возникают в результате работы нейронов в нашем мозгу. Между тем, существуют ситуации, когда необходимо точно детектировать магнитное поле «серого вещества».
«Это нужно, например, чтобы идентифицировать некоторые болезни: шизофрению, болезнь Альцгеймера, эпилепсию, когда идут нарушения магнитных полей в мозгу. В целом это помогает изучать мозг, а также визуализировать его работу», — рассказывает старший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Полина Капитанова.
Полина Капитанова. Фото: ITMO.NEWS
Существующие медицинские устройства, которые позволяют с высокой точностью вести такие исследования, имеют большие размеры и очень дороги. Ученые Университета ИТМО работают над тем, чтобы создать более дешевые и компактные аналоги. Некоторое время назад они уже опубликовали статью, в которой рассказывалось об антенне для таких датчиков, за прошедшее время физики улучшили свою разработку.
Алмаз, керамика и лазер
Ключевым элементом датчика должен стать микроскопический кубик алмаза со стороной около одного миллиметра. На атомарном уровне в этом кристалле должны быть незаметные глазу дефекты — электроны в этих местах оказываются чувствительны к воздействию электромагнитных полей даже самой небольшой мощности. Однако для получения информации одного алмаза мало, поэтому в системе есть еще микроволновая антенна, основным компонентом которой является компактный керамический резонатор.
«Мы разработали микроволновую антенну, которая благодаря циркулярной поляризации магнитного поля эффективно управляет спинами электронов в ансамбле дефектов в алмазе, увеличивает когерентность возбуждения спинов NV-центров, чтобы сигнал был хорошо читаемый», — рассказывает аспирант Университета ИТМО Виталий Ярошенко.
Но это еще не все — электроны в дефекте алмаза улавливают магнитное поле, антенна позволяет им эффективно возбуждаться и давать хороший сигнал. Теперь необходимо как-то считать эту информацию. Здесь на помощь ученым приходит оптика. Алмаз накачивается зеленым лазером, что позволяет ему флуоресцировать, из-за возбужденного состояния электронов происходит сдвиг в спектре свечения, и оно становится красным. Размер этого сдвига и позволяет судить о силе воздействующего на алмаз поля.
«За счет того, что на ансамбль дефектов в алмазе наводится магнитное микроволновое поле с циркулярной поляризацией, мы повышаем эффективность манипуляции спинов дефектов почти в 1,5 раза, — объясняет Виталий. — Более того, микроволновое магнитное поле, которое мы создаем, обладает высокой однородностью, что позволяет увеличить размер алмаза, а следовательно, и эффективность датчика. Таким образом, наша антенна позволяет эффективнее управлять откликом ансамбля при меньших входных мощностях в сравнении с ее линейным аналогом».
Пока работы над созданием подобных датчиков продолжаются. Ученым удалось описать и экспериментально показать основные принципы их работы. Кстати, в будущем эти измерительные приборы смогут иметь применение не только в медицине — их можно будет использовать для измерения самых разных электромагнитных полей, в частности для определения силы поля, идущего от земли, что может помочь в создании навигационного оборудования нового поколения.
Исследования выполнены в рамках работы по гранту Российского научного фонда.
Статья: Vitaly Yaroshenko, Vladimir Soshenko, Vadim Vorobyov, Stepan Bolshedvorskii, Elizaveta Nenasheva, Igor Kotel’nikov, Alexey Akimov, Polina Kapitanova, «Circularly polarized microwave antenna for nitrogen vacancy centers in diamond», Review of Scientific Instruments 91, 035003 (2020); doi.org/10.1063/1.5129863.
