211service.com
Dimanta magnetometrs pārspēj jutīguma rekordus
Tālajā 1896. gadā jauns fiziķis Pīters Zīmens tika atlaists par eksperimenta veikšanu pretēji viņa laboratorijas vadītāja īpašajām vēlmēm. Neskatoties uz sekām, eksperiments noveda pie ievērojama atklājuma, kas mainīja Zēmana dzīvi.
Eksperiments ietvēra gaismas mērīšanu, ko izstaro elementi, kas novietoti spēcīgā magnētiskajā laukā. Kad viņš to izdarīja, Zēmans atklāja, ka spektrālās līnijas sadalīja lauks. 1902. gadā viņam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par šo atklājumu, kas tagad pazīstams kā Zēmana efekts.
Tas ir īpaši noderīgi magnētisko lauku mērīšanai no attāluma. Piemēram, astrofiziķi to izmanto, lai kartētu saules magnētiskā lauka izmaiņas. Bet to var arī izmantot, lai mērītu laukus daudz mazākā mērogā. Teorētiski efektu varētu izmantot, lai novērotu magnētiskā lauka ietekmi uz vienu atomu.
Lai gan viņi nav tikuši līdz šim, Tomass Volfs no Štutgartes universitātes Vācijā un daži draugi ir nonākuši diezgan tuvu. Šie puiši ir izmantojuši dimantā iestrādāto slāpekļa atomu spektrus, lai izveidotu, iespējams, visjutīgāko magnetometru, kāds jebkad ir izgatavots. Viņi saka, ka viņu jaunā ierīce drīzumā varētu izmērīt ar protoniem saistīto magnētisko lauku.
Pirmkārt, nedaudz fona par magnetometriem. Pēdējos gados fiziķi ir izgatavojuši arvien jutīgākus magnetometrus, izmantojot dažādas metodes. Viena problēma, ar kuru viņi visi saskaras, ir tā, ka magnētiskie lauki ļoti ātri samazinās līdz ar attālumu, proti, 1/r^3.
Tas nozīmē, ka sensora izmēram ir liela ietekme uz to, ko tas var noteikt, jo magnētiskais lauks var būtiski mainīties visā sensora tilpumā. Tāpēc svarīgs uzdevums ir padarīt magnetometrus pēc iespējas mazākus.
Šeit parādās dimants. Dimants ir trīsdimensiju kristāls, kas izgatavots no oglekļa. Tomēr, kad oglekļa atoms struktūrā tiek aizstāts ar slāpekli, tas rada papildu nesaistītu elektronu.
Kad šis elektrons tiek ierosināts ar lāzera gaismu, tas fluorescē frekvencē, kas ir atkarīga no tā vides. Īpaši magnētiskais lauks var mainīt šo frekvenci, izmantojot Zēmana efektu, padarot slāpekļa defektus dimantā par daudzsološu magnetometra veidu.
Protams, uzrunāt vienu atomu šādā struktūrā un precīzi reģistrēt tā fluorescenci ir grūts bizness. Tātad Vilks un līdzi izmanto visu slāpekļa defektu kopumu dimanta tilpumā, kas aizņem tikai daļu no kubikmilimetra. Viņi lēš, ka tas satur vairākus miljardus slāpekļa atomu.
Lai gan šāda izmēra centrs ir daudzkārt lielāks nekā atsevišķs atoms, tas rada fluorescējošu signālu, ko ir daudz vieglāk izmērīt. Tas padara ierīci praktisku. Pat šādā izmērā magnetometrs ir viens no mazākajiem jebkad izgatavotajiem.
Lai noskaidrotu, cik jutīga ir, Vilks un kolēģi izmantoja ierīci, rūpīgi novēršot troksni katrā solī. Rezultāti ir iespaidīgi. Komanda galu galā izmērīja lauka stiprumu tikai 100 femtoTesla. Tas ir salīdzināms ar visjutīgākajiem magnetometriem uz planētas. Un viņi domā, ka var paveikt vēl labāk ar salīdzinoši vienkāršiem uzlabojumiem, kuriem vajadzētu palielināt jutīgumu par divām kārtām.
Bet šeit ir lieta: šīs ierīces unikālais ir tas, ka tā ir maza un jutīga, kombinācija, kas vēl nekad nav sasniegta. Tas padara šo ierīci par sava veida rekordu. Tas var izmērīt magnētiskā lauka stiprumu nelielos apjomos, kas nekad agrāk nav bijuši pieejami. Citiem vārdiem sakot, tas paver magnētiskā lauka intensitātes noteikšanu pilnīgi jaunā mērogā, izmantojot cietvielu ierīci, kas darbojas istabas temperatūrā.
Viens no mērķiem šajā jomā ir izmērīt protonu magnētiskos laukus ūdenī. Šķiet, ka šīs ierīces jutīgums to padara iespējamu. Šī vērtība pati par sevi ļauj noteikt protonu apgriezienus mikroskopiski izšķiramā tilpumā mazāk nekā vienā sekundē, saka Wolf and co.
Magnetometri tiek izmantoti plašā lietojumu klāstā, sākot no minerālu izpētes un arheoloģijas līdz ieroču sistēmu pozicionēšanai un sirdsdarbības monitoriem. Tāpēc, visticamāk, noderēs izturīga, ļoti jutīga cietvielu ierīce, kas darbojas istabas temperatūrā. Zēmans būtu bijis pārsteigts.
Atsauce: arxiv.org/abs/1411.6553 : Subpicotesla dimanta magnetometrs