Des scientifiques de l'Université ITMO et de l'Institut de physique Lebedev de l'Académie des sciences de Russie ont proposé une nouvelle antenne micro-ondes qui crée un champ magnétique uniforme dans un grand volume. Il est capable d'uniformiser, adressage cohérent des spins électroniques d'un ensemble de défauts de structure nanodiamant. Cela peut être utilisé pour créer des détecteurs de champ magnétique super-sensibles pour la magnétoencéphalographie dans l'étude et le diagnostic de l'épilepsie et d'autres maladies. Les résultats sont publiés dans Lettres JETP .

L'étude des caractéristiques du champ magnétique est nécessaire dans de nombreuses industries, de la navigation à la médecine. Par exemple, la magnétoencéphalographie peut enregistrer des champs magnétiques résultant de l'activité cérébrale, ainsi que de mesurer l'activité des neurones individuels. Cette méthode est utilisée dans le diagnostic de l'épilepsie et de la maladie d'Alzheimer, et la préparation à la chirurgie cérébrale. Cependant, la magnétoencéphalographie nécessite des magnétomètres super-sensibles, appareils enregistrant les caractéristiques de champs magnétiques très faibles.

Par conséquent, les scientifiques sont constamment à la recherche de nouvelles façons de créer des magnétomètres super-sensibles. Ces appareils doivent fonctionner à température ambiante avec une faible puissance d'entrée. De plus, ils doivent être compacts et relativement bon marché. L'une des options prometteuses dans ce domaine est celle des nanodiamants avec défauts. Les nanodiamants sont des nanostructures de carbone à haut indice de réfraction et à haute conductivité thermique, qui n'ont pratiquement aucune interaction avec d'autres substances. Ils peuvent contenir des défauts structurels internes complexes, tels que les centres de vacance d'azote (NV).

"De tels défauts peuvent être créés artificiellement. Lorsqu'un atome de carbone est retiré du réseau cristallin du diamant, la lacune résultante est liée à l'atome d'azote implanté. La structure de ce défaut est unique, puisque les spins électroniques du centre individuel sont manipulés par des champs électromagnétiques. Selon les propriétés du champ magnétique micro-onde environnant, l'état du spin électronique du centre NV change, et cela peut être enregistré avec des méthodes optiques, " explique Dmitri Zuev, chercheur à la Faculté de Physique et Technologie de l'Université ITMO.

Cependant, comme la réponse du centre NV unique n'est pas assez forte, un ensemble de tels défauts est nécessaire pour améliorer la sensibilité des capteurs. C'est là qu'un problème se pose, puisque la réaction des spins électroniques de tous les centres du nanodiamant doit être abordée et manipulée de manière cohérente. En d'autres termes, ils doivent tous être dans un champ magnétique hyperfréquence de même intensité pour que leur réponse puisse être la même.

Des scientifiques de l'Université ITMO et de l'Institut de physique Lebedev de l'Académie des sciences de Russie ont suggéré d'utiliser une antenne micro-ondes diélectrique pour contrôler de manière cohérente les spins des électrons des centres NV dans l'ensemble du volume du nanodiamant. L'antenne est représentée par un cylindre diélectrique avec un trou interne contenant du nanodiamant avec de nombreux centres NV. Ce système est excité par un courant électrique. Une fois qu'une puissance d'entrée d'environ 5 watts est appliquée, le cylindre diélectrique crée un champ magnétique uniforme puissant autour du nanodiamant. Par conséquent, les spins des électrons de tous les centres NV sont synchronisés de la même manière et offrent ainsi une sensibilité élevée des magnétomètres.

"Le principal défi de ce travail était d'obtenir un contrôle cohérent des spins électroniques des centres NV dans tout le volume de l'échantillon de nanodiamant disponible dans le commerce. Nous avons décidé d'utiliser une antenne basée sur un résonateur diélectrique pour cela. Nous avons calculé l'antenne requise paramètres et estimé l'effet attendu. Des études expérimentales ont été menées en collaboration avec le groupe de recherche du professeur Alexey Akimov à Moscou. Nous avons collecté un échantillon expérimental et mesuré la fréquence de Rabi, qui montre la fréquence avec laquelle les spins des électrons peuvent être manipulés. Plus cette valeur est grande, le meilleur. Nous avons une fréquence Rabi de 10 mégahertz. Un tel résultat n'avait jamais été démontré expérimentalement pour un échantillon de volume auparavant, donc c'est en fait une percée, " a déclaré Polina Kapitanova, chercheur à la Faculté de Physique et Technologie de l'Université ITMO.

La mesure de la fréquence de Rabi est la première étape vers la détermination de la sensibilité du nouveau magnétomètre. Les scientifiques prévoient de poursuivre les expériences et les études théoriques, à la recherche de nouvelles configurations d'antennes qui fourniront des magnétomètres de meilleure qualité.