Il magnetometro diamantato batte i record di sensibilità

Nel 1896, un giovane fisico di nome Pieter Zeeman fu licenziato per aver condotto un esperimento contro la specifica volontà del suo supervisore di laboratorio. Nonostante le conseguenze, l'esperimento ha portato a una straordinaria scoperta che ha cambiato la vita di Zeeman.

L'esperimento prevedeva la misurazione della luce emessa da elementi posti in un potente campo magnetico. Quando lo fece, Zeeman scoprì che le linee spettrali erano divise dal campo. Nel 1902 fu insignito del Premio Nobel per la fisica per questa scoperta che oggi è nota come effetto Zeeman.

È particolarmente utile per misurare i campi magnetici a distanza. Ad esempio, gli astrofisici lo usano per mappare le variazioni del campo magnetico sul sole. Ma può anche essere usato per misurare i campi su una scala molto più piccola. In teoria, l'effetto potrebbe essere utilizzato per osservare l'influenza di un campo magnetico su un singolo atomo.

Anche se non sono arrivati ​​così lontano, Thomas Wolf dell'Università di Stoccarda in Germania e alcuni amici si sono avvicinati abbastanza. Questi ragazzi hanno usato gli spettri degli atomi di azoto incorporati nel diamante per costruire forse il magnetometro più sensibile mai realizzato. Dicono che il loro nuovo dispositivo potrebbe presto essere in grado di misurare il campo magnetico associato ai protoni.

Innanzitutto, alcune informazioni sui magnetometri. Negli ultimi anni, i fisici hanno realizzato magnetometri sempre più sensibili utilizzando una varietà di tecniche diverse. Un problema che incontrano tutti è che i campi magnetici decadono molto rapidamente con la distanza, come 1/r^3.

Ciò significa che la dimensione del sensore ha un impatto importante su ciò che può rilevare, poiché il campo magnetico può variare in modo significativo in tutto il volume del sensore. Quindi un compito importante è rendere i magnetometri il più piccoli possibile.

È qui che entra in gioco il diamante. Il diamante è un cristallo tridimensionale fatto di carbonio. Tuttavia, quando un atomo di carbonio nella struttura viene sostituito con azoto, questo produce un elettrone non legato aggiuntivo.

Quando questo elettrone viene eccitato con la luce laser, diventa fluorescente a una frequenza che dipende dal suo ambiente. Un campo magnetico in particolare può modificare questa frequenza, tramite l'effetto Zeeman, rendendo i difetti di azoto nel diamante un promettente tipo di magnetometro.

Naturalmente, indirizzare un singolo atomo in una tale struttura e registrarne accuratamente la fluorescenza è una faccenda complicata. Quindi Wolf e compagni utilizzano un intero insieme di difetti di azoto in un volume di diamante che occupa solo una frazione di millimetro cubo. Stimano che questo contenga diversi miliardi di atomi di azoto.

Sebbene un centro di queste dimensioni sia molti ordini di grandezza più grande di un singolo atomo, produce un segnale fluorescente che è molto più facile da misurare. Ciò rende il dispositivo pratico. Anche a queste dimensioni, il magnetometro è uno dei più piccoli mai realizzati.

Per scoprire quanto sia sensibile, Wolf e compagni hanno messo alla prova il dispositivo, eliminando accuratamente il rumore ad ogni passo. I risultati sono impressionanti. Il team alla fine ha misurato un'intensità di campo di soli 100 femtoTesla. È paragonabile ai magnetometri più sensibili del pianeta. E pensano di poter fare ancora meglio con miglioramenti relativamente diretti che dovrebbero aumentare la sensibilità di due ordini di grandezza.

Ma ecco il punto: la particolarità di questo dispositivo è che è piccolo e sensibile, una combinazione mai raggiunta prima. Ciò rende questo dispositivo una specie di record. Può misurare l'intensità del campo magnetico in piccoli volumi che non sono mai stati accessibili prima. In altre parole, apre il rilevamento dell'intensità del campo magnetico su una scala completamente nuova utilizzando un dispositivo a stato solido che funziona a temperatura ambiente.

Un obiettivo in quest'area è misurare i campi magnetici dei protoni nell'acqua. La sensibilità di questo dispositivo sembra renderlo possibile. Questo valore stesso consente il rilevamento degli spin protonici in un volume risolvibile al microscopio in meno di un secondo, affermano Wolf e co.

I magnetometri sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, che vanno dall'esplorazione mineraria e archeologia al posizionamento di sistemi d'arma e al monitoraggio del battito cardiaco. Quindi è probabile che un dispositivo a stato solido robusto e altamente sensibile che funzioni a temperatura ambiente possa tornare utile. Zeeman sarebbe rimasto colpito.

Rif: arxiv.org/abs/1411.6553 : Un magnetometro a diamante Subpicotesla

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