最近，美國麻省理工大學(xué)（MIT）研究人員利用人造鉆石中的瑕疵開發(fā)出新一代超靈敏磁場探測器，效率達(dá)到上一代探測器的近千倍。這將為醫(yī)療領(lǐng)域、材料成像、走私檢查甚至地質(zhì)勘探帶來微型化的電池充電設(shè)備。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《自然·物理學(xué)》雜志上。
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)日前報道，純凈鉆石是完全由碳原子組成的晶格結(jié)構(gòu)，不會與磁場相互作用。人造鉆石中的瑕疵叫做氮晶格空位，是晶格中一個氮原子取代了碳原子形成的氮空位，空位中的電子能與磁場相互作用，對磁場極為敏感，一塊只有拇指甲1/20大小的鉆石芯片就含有萬億個氮空位，每個空位都能進(jìn)行磁場檢測。科學(xué)家希望以此為基礎(chǔ)造出高效便攜的磁力計，問題是怎樣把所有檢測聚集起來。探測一個氮空位要用激光照射它，它吸收光子然后再發(fā)出光，再發(fā)射光的強度就攜帶了空位磁場狀態(tài)的信息。
要用這種芯片做精準(zhǔn)測量，需要收集盡可能多的光子。論文第一作者、研究生漢娜·克萊文森說，在以往實驗中，通常是直接用激光激發(fā)芯片表面的氮空位。“這樣只能吸收一小部分光，大部分光都通過了鉆石。而我們給鉆石增加了棱面，使激光在鉆石內(nèi)耦合在一起，所有入射光都能被吸收利用。”
研究人員計算了激光入射晶體的角度，使激光能從各棱面反射，就像臺球桌上的撞球，不知疲倦地在晶體各面輪番反彈，直到它所有的能量被吸收殆盡。“通過的總路徑加起來接近1米。”MIT賈米森職業(yè)培訓(xùn)中心電工與計算機科學(xué)副教授德克·英格倫德說，“就像你把一個1米長的鉆石傳感器僅纏到幾毫米內(nèi)。”因此，芯片的泵浦激光能效達(dá)到了以往的近千倍。“我們能利用幾乎所有的泵浦光檢測幾乎所有的氮空位。”
當(dāng)一個光子擊中氮空位中的一個電子時，會把它擊入更高的能態(tài)，當(dāng)電子回到原來能態(tài)時，就會像其他光子一樣釋放出額外能量。而一個磁場，會彈擊電子的磁向（或自旋方向），增大它在兩種能態(tài)之間的能量差。磁場越強，就會彈擊越多的電子自旋，改變空位發(fā)光的亮度。
由于氮晶格空位的幾何結(jié)構(gòu)，重新發(fā)出的光子會以4種角度射出。每一邊放一個透鏡能收集20%的發(fā)射光，把它們聚集到一個光探測器上，足夠生成一次可靠的檢測。
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