Gli scienziati dell'Università ITMO e dell'Istituto di fisica Lebedev dell'Accademia delle scienze russa hanno proposto una nuova antenna a microonde che crea un campo magnetico uniforme in grandi volumi. È in grado di uniformare, indirizzamento coerente degli spin elettronici di un insieme di difetti della struttura del nanodiamante. Questo può essere utilizzato per creare rilevatori di campi magnetici supersensibili per la magnetoencefalografia nello studio e nella diagnosi dell'epilessia e di altre malattie. I risultati sono pubblicati in Lettere JETP .

Lo studio delle caratteristiche del campo magnetico è necessario in molti settori, dalla navigazione alla medicina. Per esempio, la magnetoencefalografia può registrare campi magnetici derivanti dall'attività cerebrale, così come misurare l'attività dei singoli neuroni. Questo metodo è utilizzato nella diagnosi dell'epilessia e del morbo di Alzheimer, e la chirurgia cerebrale di preparazione. Però, la magnetoencefalografia richiede magnetometri supersensibili, dispositivi che registrano le caratteristiche di campi magnetici molto deboli.

Perciò, gli scienziati sono costantemente alla ricerca di nuovi modi per creare magnetometri supersensibili. Tali dispositivi dovrebbero funzionare a temperatura ambiente a bassa potenza in ingresso. Inoltre, dovrebbero essere compatti e relativamente economici. Una delle opzioni promettenti in questo campo sono i nanodiamanti con difetti. I nanodiamanti sono nanostrutture di carbonio ad alto indice di rifrazione ed elevata conducibilità termica, che non hanno quasi alcuna interazione con altre sostanze. Possono contenere complessi difetti strutturali interni, come i centri di azoto vacante (NV).

"Tali difetti possono essere creati artificialmente. Quando un atomo di carbonio viene rimosso dal reticolo cristallino del diamante, il posto vacante risultante è legato all'atomo di azoto impiantato. La struttura di questo difetto è unica, poiché gli spin elettronici del singolo centro sono manipolati da campi elettromagnetici. A seconda delle proprietà del campo magnetico a microonde circostante, lo stato dello spin dell'elettrone del centro NV sta cambiando, e questo può essere registrato con metodi ottici, " spiega Dmitry Zuev, ricercatore presso la Facoltà di Fisica e Tecnologia dell'Università ITMO.

Però, poiché la risposta del singolo centro NV non è abbastanza forte, un insieme di tali difetti è necessario per migliorare la sensibilità dei sensori. È qui che sorge un problema, poiché la reazione degli spin elettronici di tutti i centri del nanodiamante deve essere coerentemente indirizzata e manipolata. In altre parole, devono trovarsi tutti in un campo magnetico a microonde della stessa intensità in modo che la loro risposta possa essere la stessa.

Scienziati dell'Università ITMO e dell'Istituto di fisica Lebedev dell'Accademia delle scienze russa hanno suggerito di utilizzare un'antenna dielettrica a microonde per controllare in modo coerente gli spin degli elettroni dei centri NV nell'intero volume del nanodiamante. L'antenna è rappresentata da un cilindro dielettrico con un foro interno contenente nanodiamante con molti centri NV. Questo sistema è eccitato da una corrente elettrica. Una volta applicata una potenza in ingresso di circa 5 watt, il cilindro dielettrico crea un forte campo magnetico uniforme attorno al nanodiamante. Di conseguenza, gli spin degli elettroni di tutti i centri NV sono sincronizzati allo stesso modo e quindi forniscono un'elevata sensibilità dei magnetometri.

"La sfida principale di questo lavoro è stata quella di ottenere un controllo coerente degli spin degli elettroni dei centri NV nell'intero volume del campione di nanodiamante disponibile in commercio. Abbiamo deciso di utilizzare un'antenna basata su un risonatore dielettrico per questo. Abbiamo calcolato l'antenna richiesta parametri e stimato l'effetto atteso. Gli studi sperimentali sono stati condotti in collaborazione con il gruppo di ricerca del professor Alexey Akimov a Mosca. Abbiamo raccolto un campione sperimentale e misurato la frequenza Rabi, che mostra la frequenza con cui gli spin dell'elettrone possono essere manipolati. Maggiore è questo valore, meglio è. Abbiamo una frequenza Rabi di 10 megahertz. Tale risultato non è mai stato mostrato sperimentalmente per un campione di volume prima, quindi questa è in realtà una svolta, " disse Polina Kapitanova, ricercatore presso la Facoltà di Fisica e Tecnologia dell'Università ITMO.

La misurazione della frequenza Rabi è il primo passo per determinare la sensibilità del nuovo magnetometro. Gli scienziati hanno in programma di continuare esperimenti e studi teorici, alla ricerca di nuove configurazioni di antenne che forniscano magnetometri di qualità ancora superiore.