Un nuovo modo di misurare i campi magnetici su scala atomica con grande precisione, non solo su e giù ma anche lateralmente, è stato sviluppato da ricercatori del MIT. Il nuovo strumento potrebbe essere utile in applicazioni diverse come la mappatura degli impulsi elettrici all'interno di un neurone attivo, caratterizzando nuovi materiali magnetici, e sondando fenomeni fisici quantistici esotici.

Il nuovo approccio è descritto oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica in un articolo dello studente laureato Yi-Xiang Liu, l'ex studente laureato Ashok Ajoy, e la professoressa di scienze e ingegneria nucleare Paola Cappellaro.

La tecnica si basa su una piattaforma già sviluppata per sondare i campi magnetici con alta precisione, utilizzando minuscoli difetti nel diamante chiamati centri di azoto vacante (NV). Questi difetti consistono in due punti adiacenti nel reticolo ordinato di atomi di carbonio del diamante in cui mancano gli atomi di carbonio; uno di essi è sostituito da un atomo di azoto, e l'altro è lasciato vuoto. Questo lascia legami mancanti nella struttura, con elettroni estremamente sensibili a piccole variazioni nel loro ambiente, siano elettrici, magnetico, o a base di luce.

Gli usi precedenti dei singoli centri NV per rilevare i campi magnetici erano estremamente precisi ma solo in grado di misurare tali variazioni lungo una singola dimensione, allineato con l'asse del sensore. Ma per alcune applicazioni, come mappare le connessioni tra i neuroni misurando la direzione esatta di ciascun impulso di sparo, sarebbe utile misurare anche la componente laterale del campo magnetico.

Essenzialmente, il nuovo metodo risolve questo problema utilizzando un oscillatore secondario fornito dallo spin nucleare dell'atomo di azoto. La componente laterale del campo da misurare spinge l'orientamento dell'oscillatore secondario. Colpendolo leggermente fuori asse, la componente laterale induce una sorta di oscillazione che appare come una fluttuazione periodica del campo allineato con il sensore, trasformando così quella componente perpendicolare in uno schema d'onda sovrapposto al primario, misurazione del campo magnetico statico. Questo può quindi essere riconvertito matematicamente per determinare l'entità della componente laterale.

Il metodo fornisce la stessa precisione in questa seconda dimensione come nella prima dimensione, Liu spiega, pur utilizzando un solo sensore, mantenendo così la sua risoluzione spaziale su scala nanometrica. Per leggere i risultati, i ricercatori utilizzano un microscopio ottico confocale che sfrutta una proprietà speciale dei centri NV:se esposti a luce verde, emettono un bagliore rosso, o fluorescenza, la cui intensità dipende dal loro esatto stato di spin. Questi centri NV possono funzionare come qubit, l'equivalente dell'informatica quantistica dei bit utilizzati nell'informatica ordinaria.

"Possiamo distinguere lo stato di spin dalla fluorescenza, " Liu spiega. "Se è buio, " producendo meno fluorescenza, "questo è uno stato 'uno', e se è luminoso, questo è uno stato "zero", " dice. "Se la fluorescenza è un numero intermedio, lo stato di rotazione è da qualche parte tra 'zero' e 'uno'".

L'ago di una semplice bussola magnetica indica la direzione di un campo magnetico, ma non la sua forza. Alcuni dispositivi esistenti per la misurazione dei campi magnetici possono fare il contrario, misurare la forza del campo con precisione lungo una direzione, ma non dicono nulla sull'orientamento generale di quel campo. Queste informazioni direzionali sono ciò che il nuovo sistema di rilevamento può fornire.

In questo nuovo tipo di "bussola, "Liu dice, "possiamo dire dove punta dalla luminosità della fluorescenza, " e le variazioni di quella luminosità. Il campo primario è indicato dall'insieme, livello di luminosità costante, considerando che l'oscillazione introdotta dall'urto del campo magnetico fuori asse si presenta come un regolare, variazione ondulatoria di quella luminosità, che poi può essere misurato con precisione.

Un'applicazione interessante per questa tecnica sarebbe mettere in contatto i centri NV del diamante con un neurone, Liu dice. Quando la cellula attiva il suo potenziale d'azione per innescare un'altra cellula, il sistema dovrebbe essere in grado di rilevare non solo l'intensità del suo segnale, ma anche la sua direzione, aiutando così a mappare le connessioni e vedere quali cellule stanno attivando quali altre. Allo stesso modo, nel testare nuovi materiali magnetici che potrebbero essere adatti per l'archiviazione di dati o altre applicazioni, il nuovo sistema dovrebbe consentire una misurazione dettagliata dell'ampiezza e dell'orientamento dei campi magnetici nel materiale.

A differenza di altri sistemi che richiedono temperature estremamente basse per funzionare, questo nuovo sistema di sensori magnetici può funzionare bene a temperatura ambiente normale, Liu dice, rendendo possibile testare campioni biologici senza danneggiarli.

La tecnologia per questo nuovo approccio è già disponibile. "Puoi farlo ora, ma è necessario prima prendere un po' di tempo per calibrare il sistema, " dice Liù.

Per adesso, il sistema fornisce solo una misura della componente perpendicolare totale del campo magnetico, non il suo esatto orientamento. "Ora, estraiamo solo la componente trasversale totale; non possiamo individuare la direzione, " dice Liu. Ma l'aggiunta di quella componente tridimensionale potrebbe essere ottenuta introducendo un'aggiunta, campo magnetico statico come punto di riferimento. "Finché possiamo calibrare quel campo di riferimento, " lei dice, sarebbe possibile ottenere tutte le informazioni tridimensionali sull'orientamento del campo, e "ci sono molti modi per farlo".

Amit Finkler, uno scienziato senior in fisica chimica presso l'Istituto Weizmann di Israele, chi non era coinvolto in questo lavoro, afferma "Questa è una ricerca di alta qualità. ... Ottengono una sensibilità ai campi magnetici trasversali pari alla sensibilità CC per i campi paralleli, che è impressionante e incoraggiante per le applicazioni pratiche."

Finkler aggiunge, "Come scrivono umilmente gli autori nel manoscritto, questo è infatti il ​​primo passo verso la magnetometria vettoriale su nanoscala. Resta da vedere se la loro tecnica può effettivamente essere applicata a campioni reali, come molecole o sistemi di materia condensata." Tuttavia, lui dice, "La linea di fondo è che come potenziale utente/implementatore di questa tecnica, Sono molto impressionato e inoltre incoraggiato ad adottare e applicare questo schema nei miei allestimenti sperimentali".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.