Gli ingegneri della UC Berkeley hanno creato un dispositivo che riduce drasticamente l'energia necessaria per alimentare i rilevatori di campi magnetici, che potrebbe rivoluzionare il modo in cui misuriamo i campi magnetici che fluiscono attraverso la nostra elettronica, il nostro pianeta, e anche i nostri corpi.

"I migliori sensori magnetici in circolazione oggi sono ingombranti, funzionare solo a temperature estreme, e può costare decine di migliaia di dollari, " ha detto Domenico Labanowski, che ha contribuito a creare il dispositivo, che è fatto da diamanti infusi di azoto, come ricercatore post-dottorato nel dipartimento di ingegneria elettrica e informatica. "I nostri sensori potrebbero sostituire quei sensori più difficili da usare in molte applicazioni dalla navigazione all'imaging medico all'esplorazione delle risorse naturali".

Ogni volta che un sensore a base di diamante misura un campo magnetico, deve prima essere fatto saltare con 1-10 Watt di radiazione a microonde per innescarli per essere sensibili ai campi magnetici, che è abbastanza potenza per fondere i componenti elettronici. I ricercatori hanno scoperto un nuovo modo per eccitare minuscoli diamanti con le microonde utilizzando una potenza 1000 volte inferiore, rendendo possibile la creazione di dispositivi di rilevamento magnetico che possono essere inseriti in dispositivi elettronici come i telefoni cellulari.

Questo lavoro è stato condotto dal laboratorio di Sayeef Salahuddin presso l'UC Berkeley in collaborazione con ricercatori della Ohio State University. Il team segnala il proprio dispositivo online il 7 settembre nel diario Progressi scientifici .

Diamanti difettosi

Bombardare un diamante con un getto di azoto può far fuori alcuni dei suoi atomi di carbonio altamente ordinati, sostituendoli con atomi di azoto. Questi intrusi dell'azoto, chiamati centri di vacanza dell'azoto (NV), hanno proprietà uniche che sono ben comprese dagli scienziati.

"Puoi usare questi centri NV come sensori molto potenti, ma tradizionalmente le loro applicazioni sono state limitate perché ci vuole molto potere per leggerli, ", ha detto Labanowski.

Per rilevare i campi magnetici, gli scienziati devono prima colpire i centri NV con radiazioni a microonde ad alta potenza, pari a circa un centesimo della potenza del tuo microonde standard o dieci volte la potenza consumata da un telefono cellulare medio. Quindi illuminano i centri NV con un laser, che viene assorbito ed emesso dagli atomi di azoto.

L'intensità del campo magnetico è correlata all'intensità della luce laser emessa:l'intensità della luce emessa può essere utilizzata per misurare l'intensità del campo

Per creare il dispositivo, i ricercatori hanno posizionato nanocristalli di diamante, contenenti migliaia di centri NV ciascuno, su un film chiamato multiferroico. Questo nuovo tipo di materiale è in grado di trasferire energia a microonde ai cristalli in modo molto più efficiente.

"Questa tecnica riduce drasticamente il consumo energetico dei sensori e li rende utilizzabili per applicazioni realistiche, " ha detto Labanowski.

Imaging all'interno del corpo e sotto la terra

Le applicazioni mediche dei sensori magnetici includono la magnetoencefalografia, che utilizza campi magnetici per misurare le onde cerebrali, o magnetocardiografia, che utilizza campi magnetici per l'immagine della funzione cardiaca. Attualmente queste macchine hanno le dimensioni di una piccola stanza e possono costare fino a $ 3 milioni.

"Con i sensori NV a bassa potenza, potresti immaginare di prendere una macchina per magnetoencefalografia grande quanto una stanza e trasformarla in qualcosa come un casco, riducendo drasticamente le dimensioni e i costi, " ha detto Labanowski.

I sensori potrebbero anche essere posizionati in aerei o droni per aiutare a individuare i metalli delle terre rare nel sottosuolo, o utilizzato nei telefoni cellulari per migliorare la navigazione.

Il rilevamento del campo magnetico è solo un'applicazione dei centri NV, dice Salahuddin. Il team sta pianificando di perfezionare la propria tecnologia per utilizzare i centri NV e altri tipi di sistemi quantistici in un'ampia varietà di applicazioni.

"Mentre abbiamo enfatizzato il rilevamento del campo magnetico, il nostro lavoro potrebbe portare alla manipolazione elettrica dei sistemi quantistici in generale con aree di applicazione molto più ampie tra cui l'informatica quantistica, "Ha detto Salahuddin.