El sensor cuántico de Gotinga mide campos magnéticos con 500 veces más sensibilidad

Los sensores de campo magnético son importantes siempre que sea necesario examinar corrientes eléctricas, materiales magnéticos o procesos biológicos sin contacto directo. Los sensores Hall normales son ideales para muchas aplicaciones técnicas, pero tienen sus limitaciones cuando se trata de estructuras espaciales muy pequeñas. Por otro lado, los sensores de diamante basados ​​en tecnología cuántica aprovechan los defectos de la red cristalina. Particularmente conocido es el centro de vacantes de nitrógeno, en el que dos posiciones adyacentes en la red de diamantes no están ocupadas por carbono. Uno contiene un átomo de nitrógeno, el segundo permanece vacío. La rotación electrónica de este defecto es sensible a los campos magnéticos y puede leerse con luz. Dado que un único centro tiene un tamaño de sólo unos pocos nanómetros, puede servir como una sonda magnética extremadamente pequeña. La desventaja: con un solo giro sólo se recibe una señal muy débil.

A continuación, investigadores vinculados al Instituto Max Planck de Göttingen desarrollaron un sistema de magnetómetro híbrido. Junto al sensor de diamante se encuentra un microcable ferromagnético. Este cable está magnetizado por un campo magnético estático externo y crea un campo local significativamente más fuerte en sus inmediaciones. El defecto cuántico no sólo mide el campo original, sino también su efecto amplificado magnéticamente. El estudio publicado en Physical Review Applied describe un aumento de la sensibilidad de aproximadamente un factor de 500 en comparación con el sensor sin amplificador ferromagnético.

Cómo un defecto en el diamante se convierte en un sensor

El centro de vacantes de nitrógeno tiene estados de espín cuantificados cuya energía depende de la fuerza del campo magnético local. Los estados pueden excitarse con microondas y leerse ópticamente mediante fluorescencia de diamantes. Si la frecuencia de resonancia cambia, se puede determinar el campo magnético. Esta tecnología funciona a temperatura ambiente y, por tanto, es interesante para sistemas de medición compactos. Un único defecto también ofrece una resolución espacial muy alta porque el volumen de medición es extremadamente pequeño. Sin embargo, es precisamente este pequeño tamaño lo que reduce el número de sistemas cuánticos disponibles. Conjuntos de muchos defectos producen una señal más fuerte pero pierden cierta precisión espacial. El trabajo de Göttingen intenta sortear este conflicto de objetivos no aumentando el número de espines cuánticos, sino amplificando localmente el propio campo magnético.

El microhilo concentra el campo externo.

Los materiales ferromagnéticos reaccionan fuertemente a los campos magnéticos externos. Si se magnetiza un microcable adecuado, se producen amplificaciones de campo locales en su geometría. Los investigadores colocaron el sensor cuántico para aprovechar esta área mejorada. Esto significa que un pequeño cambio en el campo externo del diamante tiene un efecto mucho más fuerte. Lo decisivo es que el ferroimán no genere simplemente un campo adicional constante. Debe transmitir las variaciones del campo estático a medir de la forma más reproducible posible. El concepto es algo similar al de una lente óptica que concentra la luz, excepto que un material magnético amplifica el componente de campo relevante en el sensor. La medición resultante sigue siendo mecánica cuántica, pero el amplificador en sí es un componente magnético clásico.

Porque un factor de 500 no significa dispositivos 500 veces más pequeños

La mejora se refiere a la sensibilidad de campo de la estructura examinada. Esto no significa automáticamente que cada magnetómetro futuro será 500 veces más pequeño, más barato o más rápido. Los amplificadores ferromagnéticos tienen su propio ruido, pueden presentar un comportamiento histerético y deben estar alineados con precisión con el sensor de diamante. Además, los campos locales intensos pueden desplazar las resonancias de espín cuántico y, por tanto, cambiar el rango de medición utilizable. Por lo tanto, el trabajo examina específicamente áreas estáticas o que cambian lentamente. Para los campos magnéticos de alta frecuencia se aplican condiciones diferentes. Sin embargo, el factor es técnicamente interesante porque los sensores de un solo giro a menudo tienen que encontrar un compromiso entre la resolución espacial y el tiempo de medición. Un acoplamiento magnético más fuerte puede reducir el tiempo de medición requerido o hacer visibles las fuentes más débiles.

El magnetismo es cada vez más importante para los nuevos dispositivos y materiales de almacenamiento.

La capacidad de resolver espacialmente campos magnéticos extremadamente pequeños es relevante, entre otras cosas, para el desarrollo del almacenamiento de datos magnéticos, la espintrónica y nuevos materiales cuánticos. Las estructuras magnéticas pueden formar patrones complejos en el rango nanométrico y aparecer sólo como una señal promedio con sensores macroscópicos. Research-und-wissen.de describió recientemente cómo se puede estudiar el orden magnético oculto en los cristales mediante señales ópticas. Un sensor de diamante de alta resolución sigue un principio diferente, pero también podría ayudar a caracterizar localmente dichas estructuras magnéticas.

Desde óptica de laboratorio hasta dispositivos de medición compactos

Los sensores cuánticos basados ​​en diamantes suelen requerir luz láser, microondas y una lectura óptica sensible. El defecto en sí es pequeño, pero el conjunto del laboratorio suele ser mucho más grande. Por ello, en dispositivos prácticos, la fuente de luz, la electrónica de microondas y el detector deben integrarse de forma más compacta. El amplificador ferromagnético podría ser relativamente sencillo porque no requiere una fuente de alimentación activa. Sin embargo, su geometría y propiedades del material deben controlarse con mucha precisión. Particularmente interesante sería la integración directa en un chip o punta para escanear mediciones con sonda. A continuación, el sensor podría pasar sobre una muestra y registrar los campos magnéticos locales punto por punto.

El método de Göttingen amplifica la señal antes de la medición cuántica

La publicación del grupo de investigación une así dos mundos muy diferentes. El defecto de diamante proporciona una sonda espacialmente pequeña y precisa desde la mecánica cuántica, mientras que el microcable ferromagnético concentra la señal externa débil antes de la medición. En lugar de amplificar electrónicamente una mala señal, el propio campo magnético se expande en la ubicación del sensor. Qué aplicaciones se beneficiarán primero depende de la estabilidad y miniaturización de la estructura. Sin embargo, el factor de 500 muestra que los materiales magnéticos clásicos pueden aumentar significativamente el rendimiento de un único espín cuántico sin tener que sustituir el sensor por un conjunto grande.

Magnetómetro híbrido de nitrógeno y vacaciones de un solo giro aplicado para revisión física con sensibilidad de campo estático mejorada; doi:10.1103/z5x1-9rng