Российские физики разработали антенну для сверхчувствительных дефектных алмазов

Физики из университета ИТМО (Санкт-Петербург) и Физического института имени Лебедева РАН (Москва) разработали специальную микроволновую антенну для увеличения чувствительности датчиков магнитного поля, работающих на основе наноалмазов с азотными вакансиями. Антенна помогает создавать однородное высокочастотное магнитное поле, необходимое для работы датчика. Подобные устройства помогут в будущем создать компактные сверхчувствительные магнитометры, способные фиксировать магнитные поля токов в отдельных нейронах. Исследование опубликовано в JETP Letters, кратко о нем сообщает пресс-релиз ИТМО, поступивший в редакцию N+1.

Передача сигналов в нейронах проявляет себя как очень слабый электрический ток — вдоль мембраны аксона распространяется потенциал действия, источником которого являются ионы натрия, проходящие через натрий-калиевые каналы. Величина этого тока чрезвычайно мала, но его можно зафиксировать с помощью специальных электродов. Как правило, из-за малого размера аксонов (десятки микронов в диаметре) сделать это довольно трудно, но есть и некоторые исключения. Например, гигантские аксоны жильного кальмара (Loligo forbesii) достигают толщины одного миллиметра. В 1950-х годах Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли измерили потенциалы и токи в них и построили математическую модель работы нейрона, за что им была присуждена Нобелевская премия по медицине.

Однако измерение тока с помощью электродов, вживляемых в аксон — инвазивный метод, влияющий на состояние нейрона. Активность нейронов можно попытаться измерить и бесконтактно, исследуя магнитное поле, возникающее вместе с током в аксонах. Его индукция колеблется от нескольких фемтотесла на расстоянии шести сантиметров до сотен пикотесла — на расстоянии миллиметра от аксона. Это чрезвычайно малые поля, в сотни тысяч раз слабее магнитного поля Земли и в десятки миллионов раз слабее поля магнита на холодильнике. Для их измерения требуются специальные методы, основанные на таких магнитных явлениях как гигантское магнетосопротивление, эффект Фарадея и оптически детектируемый магнитный резонанс в азотных вакансиях алмаза.

Азотная вакансия в алмазе представляет собой дефект в идеальной кристаллической решетке алмаза — один из атомов углерода в нем замещен на азот, а другой, соседний, попросту отсутствует. Эта система способна к флуоресценции — красному свечению под действием внешнего излучения. Однако из-за особенностей электронного строения вакансии, флуоресценция оказывается очень чувствительной к магнитным полям. В некоторых условиях, при наличии микроволнового (2,87 гигагерца) магнитного поля флуоресценция будет затухать рядом с постоянным магнитным полем. Это позволяет очень точно измерять внешние магнитные поля.

Чем больше в алмазе азотных вакансий, тем сильнее будет отклик детектора магнитного поля. При этом очень важно чтобы все азотные вакансии находились в равномерном микроволновом магнитном поле — тогда все они будут «синхронизированы» и усиливать отклик друг друга. Специально для создания такого равномерного поля авторы новой работы разработали цилиндрическую антенну на основе керамики (BaLn₂Ti₄O₁₂). В ее центр помещается образец наноалмазов с большим количеством азотных вакансий. По данным исследователей микроволновое магнитное поле было однородным в объеме нескольких кубических миллиметров алмаза-детектора.

В тестовом образце детектора ученым удалось достигнуть частоты синхронных поворотов электронных спинов (ответственных за магнитный резонанс) в 10 мегагерц. По словам Полины Капитановой, первого автора статьи, «чем больше эта величина, тем лучше. Мы получили частоту Раби в 10 мегагерц. Такого значения в объемном образце никто еще не показывал экспериментально, это прорывной результат».

Чувствительность азотных вакансий в теории может быть близка к чувствительности сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов), самых чувствительных сенсоров магнитного поля из возможных. К тому же, алмазные сенсоры способны работать при комнатной температуре, в отличие от СКВИДов, которые требуется охлаждать жидким гелием. На практике сенсоры на основе азотных вакансий в алмазах уже достигли чувствительности менее одного пикотесла.

Ранее мы сообщали, что на базе азотных вакансий в алмазе ученые из Гарвардского университета создали самый маленький в мире радиоприемник. По словам исследователей, в теории такому радиоприемнику достаточно для функционирования всего одной вакансии (двух атомов). Для подстройки принимаемой устройством частоты требуется внешний электромагнит.

Владимир Королёв