La misurazione di deboli campi magnetici è un affare da trilioni di dollari. Gigabyte di dati, memorizzati e recuperati rapidamente da chip delle dimensioni di una moneta, sono al centro dell'elettronica di consumo. Densità di dati ancora più elevate possono essere ottenute migliorando la sensibilità di rilevamento magnetico, forse fino a livelli di nano-tesla.

Una maggiore sensibilità magnetica è utile anche in molte aree scientifiche, come l'identificazione di biomolecole come DNA o virus. Questa ricerca deve spesso svolgersi in un ambiente caldo, ambiente umido, dove non sono possibili condizioni di pulizia o basse temperature. Gli scienziati del JQI affrontano questo problema sviluppando un sensore a diamante che opera in un ambiente fluido. Il sensore crea mappe magnetiche (con una sensibilità di 17 microtesla) di piccole particelle (un sostituto di vere biomolecole) con una risoluzione spaziale di circa 50 nm. Questa è probabilmente la misurazione magnetica più sensibile condotta a temperatura ambiente in microfluidica.

Appaiono sulla rivista i risultati del nuovo esperimento condotto dallo scienziato del JQI Edo Waks (professore dell'Università del Maryland) e dai suoi collaboratori Nanolettere .

Centri Diamond NV

Al centro del sensore c'è un minuscolo nanocristallo di diamante. Questo diamante, quando viene avvicinato a una particella magnetica e allo stesso tempo viene immerso nella luce laser e in un sottile segnale a microonde, emetterà una fluorescenza in modo proporzionale alla forza del campo magnetico della particella. Quindi la luce del diamante viene utilizzata per mappare il magnetismo.

Come funziona il diamante e come viene manovrata la particella abbastanza vicino al diamante per essere scansionata?

Il nanocristallo di diamante è realizzato nello stesso processo con cui si formano i diamanti sintetici, in un processo chiamato deposizione chimica da vapore. Alcuni dei diamanti hanno piccole imperfezioni, inclusi a volte gli atomi di azoto che sostituiscono gli atomi di carbonio. A volte un atomo di carbonio manca del tutto dalla struttura solida del diamante altrimenti strettamente coordinata. Nei casi in cui l'azoto (N) e il posto vacante (V) sono uno accanto all'altro, può verificarsi un interessante effetto ottico. La combinazione NV agisce come una sorta di atomo artificiale chiamato centro di colore NV. Se richiesto dal giusto tipo di laser verde, il centro NV brillerà. Questo è, se assorbirà la luce laser verde ed emetterà luce rossa, un fotone alla volta.

Il tasso di emissione NV può essere alterato in presenza di campi magnetici a livello microscopico. Perché ciò accada, anche se, i livelli energetici interni del centro NV devono essere giusti, e ciò avviene quando il centro è esposto ai segnali della sorgente a radiofrequenza (mostrata a lato della figura) e ai campi emessi dalla stessa particella magnetica vicina.

La particella galleggia in un lago poco profondo di soluzione a base di acqua deionizzata in una configurazione chiamata chip microfluidico. Il diamante è saldamente attaccato al fondo di questo lago. La particella si muove, ed è guidato intorno al chip quando gli elettrodi posizionati nei canali convincono gli ioni nel liquido a formare correnti delicate. Come una nave che naviga verso l'Europa con l'aiuto della Corrente del Golfo, la particella cavalca queste correnti con controllo submicronico. La particella può anche essere manovrata in direzione verticale da una bobina magnetica esterna (non mostrata nel disegno).

"Abbiamo in programma di utilizzare più diamanti per eseguire complesse analisi magnetiche vettoriali., " dice lo studente laureato Kangmook Lim, l'autore principale della pubblicazione. "Utilizzeremo anche diamanti fluttuanti invece di stazionari, che sarebbe molto utile per la scansione del nanomagnetismo di campioni biologici."