Nelle cure mediche, i campi magnetici dell'attività cardiaca e cerebrale vengono misurati per rilevare le malattie in una fase iniziale. Per misurare anche i più piccoli campi magnetici, i ricercatori del Fraunhofer IAF stanno lavorando a un nuovo approccio:la magnetometria a soglia laser a base di diamante. L'idea è quella di utilizzare un diamante con un'alta densità di centri vuoti di azoto in un sistema laser. Ora i ricercatori sono riusciti a raggiungere una pietra miliare:sono stati in grado di dimostrare la prima misurazione al mondo dell'emissione stimolata dipendente dal campo magnetico e persino di stabilire un nuovo record di contrasto. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances .

Nella diagnostica medica, sono necessari sensori sensibili per misurare, ad esempio, i deboli campi magnetici dell'attività cardiaca e cerebrale (MCG, MEG) del corpo umano e creare immagini del corpo tramite risonanza magnetica (MRI), che consente il rilevamento di malattie in fase iniziale. Tuttavia, solo pochi sensori di campo magnetico altamente sensibili raggiungono la precisione necessaria e ognuno di essi presenta notevoli ostacoli tecnici per l'applicazione clinica.

I sensori SQUID già affermati richiedono un raffreddamento criogenico complesso di circa -270 °C. I magnetometri a celle di vapore (OPM) sono un'altra opzione. Sebbene questi raggiungano le più alte sensibilità anche senza raffreddamento criogenico, hanno lo svantaggio di richiedere una schermatura assoluta di tutti i campi di fondo, compreso il campo magnetico terrestre, e quindi impongono enormi requisiti strutturali a stanze ed edifici. Per questo motivo, le misurazioni elettriche più imprecise (ECG, EEG) continuano ad essere comuni nella pratica clinica quotidiana.

Al Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF di Friburgo, un team di progetto sta già ricercando un'alternativa più adatta:"Il nostro obiettivo è sviluppare un sensore di campo magnetico estremamente sensibile che funzioni a temperatura ambiente e in presenza di campi di fondo ed è quindi utile per le implementazioni cliniche", spiega il dott. Jan Jeske, project manager presso Fraunhofer IAF.

Misurare i più piccoli campi magnetici con diamante e laser

Nel progetto "Diamante CVD drogato con NV per magnetometria a soglia laser ultrasensibile" (abbreviato "DiLaMag"), Jeske e il suo team stanno ricercando un approccio unico al mondo per sensori di campo magnetico quantistico altamente sensibili. Per la prima volta, utilizzano il diamante in un sistema laser, consentendo così misurazioni del campo magnetico notevolmente più precise.

Per il progetto, il diamante è drogato con un'alta densità di centri di posti vacanti di azoto (centri NV). "Grazie alle sue proprietà del materiale, il diamante con un'alta densità di centri NV può migliorare notevolmente la precisione di misurazione se utilizzato come mezzo laser", spiega Jeske. I centri NV nel diamante sono sistemi atomici costituiti da un atomo di azoto e un difetto di carbonio. Assorbono la luce verde ed emettono luce rossa. Poiché la fluorescenza di questi centri NV atomicamente piccoli dipende dall'intensità di un campo magnetico esterno, possono essere utilizzati per misurare i campi magnetici con un'elevata risoluzione locale e una buona sensibilità.

Prima dimostrazione sperimentale di magnetometria a soglia laser

Dopo diversi anni di sforzi di ricerca, il team di Jeske ha raggiunto un importante traguardo:ha dimostrato la prima misurazione al mondo dell'emissione stimolata dipendente dal campo magnetico. Nel processo, i ricercatori hanno fatto una scoperta interessante:"Abbiamo osservato un processo fisico molto rilevante e precedentemente sconosciuto nel diamante NV:l'assorbimento della luce rossa indotto dall'irradiazione del laser verde", riferisce Jeske.

Utilizzando il diamante NV come mezzo laser, non solo hanno ottenuto un'amplificazione del 64 percento della potenza del segnale mediante l'emissione stimolata. Il team del progetto è stato persino in grado di stabilire un record mondiale:l'emissione dipendente dal campo magnetico mostra un contrasto del 33 percento e una potenza di uscita massima nel regime mW. Questo è un nuovo record di contrasto in magnetometria con ensemble NV.

L'emissione stimolata è responsabile di questo. "Siamo stati in grado di dimostrare che questo record non sarebbe stato possibile con l'emissione spontanea. Pertanto, abbiamo dimostrato sperimentalmente per la prima volta il principio teorico della magnetometria a soglia laser", sottolinea Jeske.

Questi risultati mostrano anche i vantaggi della magnetometria a soglia laser a base di diamante rispetto ai metodi convenzionali e dimostrano che è possibile misurare i più piccoli campi magnetici.

Grandi progressi nella produzione di diamanti NV

Il concetto di magnetometria a soglia laser funziona solo se il diamante ha un'altissima densità di centri NV pur mantenendo buone proprietà ottiche. Per questo motivo, il team di progetto ha svolto un ampio lavoro sui materiali per ottimizzare di conseguenza il diamante. Questo lavoro include, da un lato, la produzione di diamante mediante CVD (chemical vapor deposition) e, dall'altro, la post-elaborazione mediante irraggiamento di elettroni e trattamento termico per un aumento della densità NV.

Durante la crescita del diamante mediante CVD, che consente un'integrazione molto precisa e controllata dei centri NV, i ricercatori sono già stati in grado di ottenere un alto drogaggio dell'azoto. Utilizzando l'irradiazione elettronica, hanno quindi determinato una fluenza ottimale per la densità dell'azoto, determinando un aumento da 20 a 70 volte della densità NV. Gli spettri di assorbimento hanno consentito loro di seguire dal vivo la formazione dei centri NV.

Durante la caratterizzazione, hanno stabilito le correlazioni tra tre fattori cruciali per insiemi NV ottimali e li hanno ottimizzati:un'elevata densità NV, un'elevata conversione dell'azoto sostituito utilizzando un'irradiazione ad alta fluenza e un'elevata stabilità di carica. Come risultato di questi studi dettagliati, il team di Fraunhofer IAF è riuscito per la prima volta a produrre diamante CVD con un'alta densità di centri NV e di buona qualità, creando così il prerequisito per lo sviluppo della magnetometria di soglia laser a base di diamante per la misura di campi magnetici estremamente piccoli. + Esplora ulteriormente

Verso un rilevamento e imaging su scala nanometrica superiori con sonde diamantate ottimizzate