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科学家为造新型磁力计欲开发超强人造钻石磁场探测器

最近,美国麻省理工大学研究人员,为了造出高效便携的磁力计,利用人造钻石中的瑕疵开发出新一代超灵敏磁场探测器,效率达到上一代探测器的近千倍。这将为医疗领域、材料成像、走私检查甚至地质勘探带来微型化的电池充电设备。

 

人造钻石磁场探测器效率提高千倍。资料图


我们知道,纯净钻石是完全由碳原子组成的晶格结构,不会与磁场相互作用。人造钻石中的瑕疵叫做氮晶格空位,是晶格中一个氮原子取代了碳原子形成的氮空位,空位中的电子能与磁场相互作用,对磁场极为敏感,一块只有拇指甲1/20大小的钻石芯片就含有万亿个氮空位,每个空位都能进行磁场检测。科学家希望以此为基础造出高效便携的磁力计,问题是怎样把所有检测聚集起来。探测一个氮空位要用激光照射它,它吸收光子然后再发出光,再发射光的强度就携带了空位磁场状态的信息。

要用这种芯片做精准测量,需要收集尽可能多的光子。发表该论文的第一作者、研究生汉娜·克莱文森说,在以往实验中,通常是直接用激光激发芯片表面的氮空位。这样只能吸收一小部分光,大部分光都通过了钻石。而我们给钻石增加了棱面,使激光在钻石内耦合在一起,所有入射光都能被吸收利用。

研究人员计算了激光入射晶体的角度,使激光能从各棱面反射,就像台球桌上的撞球,不知疲倦地在晶体各面轮番反弹,直到它所有的能量被吸收殆尽。通过的总路径加起来接近1米。美国麻省理工大学贾米森职业培训中心电工与计算机科学副教授德克·英格伦德说,就像你把一个1米长的钻石传感器仅缠到几毫米内。因此,芯片的泵浦激光能效达到了以往的近千倍。我们能利用几乎所有的泵浦光检测几乎所有的氮空位。

当一个光子击中氮空位中的一个电子时,会把它击入更高的能态,当电子回到原来能态时,就会像其他光子一样释放出额外能量。而一个磁场,会弹击电子的磁向(或自旋方向),增大它在两种能态之间的能量差。磁场越强,就会弹击越多的电子自旋,改变空位发光的亮度。

由于氮晶格空位的几何结构,重新发出的光子会以4种角度射出。每一边放一个透镜能收集20%的发射光,把它们聚集到一个光探测器上,足够生成一次可靠的检测。

此文关键字:磁力计

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