​Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза. Это можно использовать при создании сверхчувствительных магнитных сенсоров нового поколения для применения в магнитоэнцефалографии при изучении и диагностики эпилепсии и других заболеваний. Результаты опубликованы в журнале JETP Letters.  

Изучение характеристик магнитного поля необходимо во многих отраслях: от навигации до медицины. Например, магнитоэнцефалография позволяет зарегистрировать магнитные поля, возникающие при работе мозга, а также измерить активность отдельных нейронов. Этот метод используется при диагностике ряда заболеваний, включая эпилепсию и болезнь Альцгеймера, или при подготовке к операциям на головном мозге. Однако для магнитоэнцефалографии нужны сверхчувствительные магнитометры – приборы, которые фиксируют характеристики даже очень слабых магнитных полей.

Ученые постоянно ищут новые способы создания сверхчувствительных магнитометров нового поколения. Такие устройства должны работать при комнатной температуре, малых входных мощностях, быть компактными и обладать низкой стоимостью. Одним из перспективных вариантов является использование дефектов в наноалмазах. Наноалмазы – это углеродные наноструктуры с высоким показателем преломления и высокой теплопроводностью, которые почти не взаимодействуют с другими веществами и могут содержать сложные дефекты внутренней структуры. Например, NV-центры или центры азот-вакансия.

«Такие дефекты создают искусственно: при удалении атома углерода из кристаллической решетки алмаза, образовавшаяся вакансия связывается с внедренным атомом азота. Уникальность структуры дефекта заключается в том, что электронные спины индивидуального центра манипулируются электромагнитным полями. В зависимости от свойств окружающего микроволнового магнитного поля состояние электронного спина NV-центра меняется, и это можно считывать оптическими методами», – объясняет Дмитрий Зуев, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Тем не менее, отклик одного NV-центра недостаточно силен, поэтому для улучшения чувствительности сенсоров нужно использовать целые группы таких дефектов. При этом возникает проблема: реакцию электронных спинов всех центров в объеме наноалмаза необходимо когерентно синхронизировать. Иными словами, все они должны находиться в микроволновом магнитном поле одинаковой интенсивности, чтобы их отклик был одинаковым.

 

Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН  предложили использовать диэлектрическую микроволновую антенну для одновременного управления электронными спинами NV-центров в большом объеме наноалмаза. Антенна представляет собой диэлектрический цилиндр с внутренним отверстием, возбуждаемый электрическим током. В центр отверстия антенны помещают наноалмаз со множеством NV-центров. При подаче входной мощности порядка 5 Вт, диэлектрический цилиндр создает сильное однородное магнитное поле вокруг наноалмаза. За счет этого электронные спины всех NV-центров синхронизируются одинаково и тем самым обеспечивают высокую чувствительность магнитометров.

«Главным вызовом этой работы было добиться когерентного управления электронными спинами NV-центров во всем объеме коммерчески-доступного образца наноалмаза. Мы предложили использовать для этого антенну на основе диэлектрического резонатора, рассчитали нужные параметры антенны и оценили ожидаемый эффект. Экспериментальные исследования были проведены совместно с научной группой профессора А. В. Акимова в Москве. Мы собрали экспериментальный образец и измерили частоту Раби, которая показывает, с какой периодичностью происходит “переворот” спина. Чем больше эта величина, тем лучше. Мы получили частоту Раби в 10 мегагерц. Такого значения в объемном образце никто еще не показывал экспериментально, это прорывной результат», – отмечает Полина Капитанова, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Измерение частоты Раби – первый шаг на пути к определению чувствительности нового датчика. В планах ученых продолжить эксперименты и теоретические исследования по поиску новых конфигураций антенны, которые обеспечат еще более высокое качество магнитометров.

Работы были выполнены в рамках гранта РНФ № 16-19-10367.

Похожие новости

  • 10/09/2018

    Ученые реконструировали 3D-модель еды по двумерному изображению ее структуры

    ​Ученые показали, что на основе двумерного изображения продуктов питания можно создать трехмерную модель их внутреннего строения. Опираясь на нее, можно предсказать физические свойства пищевого продукта и смоделировать процессы, происходящие внутри него.
    550
  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    1043
  • 09/01/2019

    Создано новое алмазное окно для флюорографии

    ​Ученые Института общей физики имени А.М. Прохорова (ИОФ) РАН совместно с российскими коллегами создали двухслойную алмазную пластину для источников рентгеновского излучения. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
    806
  • 16/02/2019

    Российские ученые нашли безопасный способ получения кремниевых нанонитей

    ​При производстве кремниевых наноструктур, востребованных в разных областях промышленности, обычно используется достаточно токсичная плавиковая кислота. Сотрудники МГУ имени М. В. Ломоносова нашли способ, как избежать её применения.
    519
  • 14/12/2018

    Грантополучатели РНФ в программе России-24 «Наука»

    Несколько дней назад вручили Нобелевскую премию за исследования в области лазерной физики. В России тоже успешно работают в этой области. Так, Лаборатория лазерного воздействия Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН Михаила Аграната разработала и совершенствует фемтосекундный лазерный скальпель – оптический пинцет, который работает в бесконтактном режиме и помогает с генетической диагностикой эмбриона, если ему от родителей передались какие-то аномалии.
    1139
  • 09/04/2019

    Российские ученые уточнили, как космические лучи действуют на мозг

    ​Нейрофизиологи из МФТИ, НИИ Анохина и Курчатовского института проследили за действием нейтронов на мозг мышей и пришли к выводу, что они не ухудшают интеллектуальные способности грызунов, но подавляют формирование новых клеток в центре памяти.
    308
  • 14/05/2018

    Ученые знают, как заставить проводник из графена лучше работать

    ​Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе.
    549
  • 15/05/2018

    Российские ученые обнаружили аномалии в изменении теплоемкости кристаллов

    ​Российские ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН исследовали необычное увеличение теплоемкости кристаллов, которое проявляется, если между частицами действуют силы с ограниченным радиусом действия.
    817
  • 28/05/2019

    Ученые из России сделали угольные ТЭС более экологичными и выгодными

    Российские металлурги усовершенствовали созданную ими методику почти полной переработки золы, позволяющую извлечь из отработанного топлива не только алюминий и другие полезные вещества, но и удалять из золы углерод.
    368
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    611