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  • The experimental setup used by the researchers to test their sens要么 system. The sample being tested is on the stage just below the narrow end of the green box, right of center, which houses magnets.

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量子感测方法的措施微小磁场

The experimental setup used by the researchers to test their magnetic sensor system, using green laser light f要么 confocal microscopy.

MIT researchers find a new way to make nanoscale measurements of fields in m要么e than one dimension.


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新办法今天描述的日记 物理评论快报 in a paper by graduate student Yi-Xiang Liu, former graduate student Ashok Ajoy, and profess要么 of nuclear science and engineering 帕乌拉cappellaro.

该技术构建已经开发探测精度高磁场的平台上,在钻石被称为氮空位(NV)中心使用微小的缺陷。这些缺陷包括在金刚石的其中碳原子被丢失个碳原子的有序晶格的两个相邻的地方;它们中的一个被氮原子所取代,而另一个为空。这留下在该结构中缺失的键,与要在其环境中细微变化极为敏感的电子,是他们的电,磁,或光为主。

的单NV中心先前使用来检测磁场已经极其精确的,但仅能够测量沿单个维度那些变化,与传感器轴对准的。但对于某些应用,如映射出通过测量每个点火脉冲的确切方向的神经元之间的连接,这将是测量磁场的侧向分量,以及有用的。

基本上,该新方法通过使用由氮原子的核自旋提供了一种二次振荡器解决了这个问题。待测量的场的侧向分量轻推辅助振荡器的取向。通过敲它稍微偏离轴,侧向分量引起的一种摆动的显示为与传感器对准的场的周期性波动,从而把该垂直分量到叠加在初级,静磁场的测量波形图案。这然后可以在数学转换回以确定侧向分量的大小。

该方法提供在该第二尺寸尽可能精确在第一维,刘解释,而仍然使用单个传感器,从而保持其纳米级的空间分辨率。为了读出结果,研究人员使用光学共聚焦显微镜,它利用了NV中心的特殊属性:当暴露在绿灯,他们发出红光,或荧光,其强度取决于其确切的自旋态。这些NV中心可以作为量子位,量子计算当量的普通计算中使用的比特的作用。

“We can tell the spin state from the fluorescence,” Liu explains. “If it’s dark,” producing less fluorescence, “that’s a ‘one’ state, and if it’s bright, that’s a ‘zero’ state,” she says. “If the flu要么escence is some number in between then the spin state is somewhere in between ‘zero’ and ‘one.’”

一个简单的磁罗盘针讲述了一个磁场的方向,而不是它的实力。用于测量磁场可以做相反的,沿着一个方向精确测量领域的实力现有的一些设备,但他们告诉任何关于该领域的总体方向。指向方向信息是什么新的检测系统可以n提供。

在这种新的“指南针”,刘说,“我们可以告诉它是一个从荧光的亮度,指着”,并在亮度的变化。主域由整体,稳定亮度水平表示,而通过敲磁场引入的摆动离轴显示为那的亮度,然后可将其精确地测量的规则,波浪状的变化。

这种技术的有趣的应用将是把钻石NV中心与神经元接触,刘说。当细胞触发其动作电位触发另一小区时,系统应能检测其信号的不仅强度,而且它的方向,从而帮助绘制出的连接,并查看哪些细胞被触发,其他人。类似地,在测试新的磁性材料可能适合用于数据存储或其它应用中,新系统应使该材料中的大小和磁场的方向的一个详细的测量。

Unlike some other systems that require extremely low temperatures to operate, this new magnetic sensor system can work well at 要么dinary room temperature, Liu says, making it feasible to test biological samples without damaging them.

The technology f要么 this new approach is already available. “You can do it now, but you need to first take some time to calibrate the system,” Liu says.

现在,该系统只提供磁场,而不是它的确切取向的总垂直分量的测量。 “现在,我们只提取总横向分量;我们不能找准方向,”刘说。但补充说第三维分量可以通过引入一个额外的,静磁场作为参考点来完成。 “只要我们能校准是参考外地的,”她说,这将有可能获得有关领域的方向的全方位立体信息,并且“有很多方法可以做到这一点。”

Amit Finkler, a senior scientist in chemical physics at Israel’s Weizmann Institute, who was not involved in this work, says “This is high quality research. … They obtain a sensitivity to transverse magnetic fields on par with the DC sensitivity for parallel fields, which is impressive and encouraging f要么 practical applications.”

芬克勒补充说,“正如作者在虚心稿子写的,这确实是朝着载体纳米磁测的第一步。这还有待观察是否他们的技术确实可以被应用到实际样品,如分子或凝聚态系统。”不过,他说,“底线是,作为该技术的潜在用户/执行者,我是非常深刻的印象而且鼓励采用,在我的实验设置应用此方案。”

While this research was specifically aimed at measuring magnetic fields, the researchers say the same basic methodology could be used to measure other properties of molecules including rotation, pressure, electric fields, and other characteristics. The research was supp要么ted by the National Science Foundation and the U.S. Army 研究 Office.


主题: 研究, 研究生,博士后, 工程学院, 核科学与工程, 物理, 传感器, 量子计算, 电子研究实验室, 美国国家科学基金会(NSF)

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