다양한 방향의 자기장을 동시에 감지하는 새로운 방법

• 새로운 도구는 다이아몬드의 Nitrogen-Vacancy 중심 결함을 사용하여 서로 다른 방향의 자기장을 동시에 감지합니다.
• 실시간으로 자기장의 3D 그림을 생성합니다.
• 응축물리, 생물학 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

동적 벡터 자기장의 실시간 감지는 자기 탐색, 생체 자기장 감지 및 이미징, 자기 ​​이상 감지와 같은 다양한 자기계측 응용 분야에서 필요합니다.

스칼라 자력계는 자기장의 크기만 측정할 수 있는 반면, 벡터 투영 자력계는 특정 축을 따라 자기장 투영을 측정할 수 있습니다. 하지만 동시에 서로 다른 방향의 자기장을 측정하고 싶다면 어떻게 해야 할까요?

최근 하버드 대학의 연구원들은 응집 물질 시스템에서 신경 세포 발사에 이르기까지 거의 모든 영역에서 자기장을 감지할 수 있는 도구를 개발했습니다. 이를 위해 이 도구는 NV(Nitrogen-Vacancy) 센터라고 하는 다이아몬드의 다양한 점 결함 중 하나를 사용합니다. 서로 다른 방향의 자기장을 동시에 감지할 수 있습니다.

작동 방식

연구원들은 4밀리미터 크기의 작은 다이아몬드 웨이퍼에 4가지 다른 마이크로파 신호를 가했습니다. 각 신호는 특정 NV 방향을 측정하고 특수 주파수 변조 패턴에 따라 디더링(저진폭 신호의 왜곡을 줄이기 위해 백색 잡음 추가)하도록 구성되었습니다. 이를 통해 개별 NV 방향이 서로 다른 자기장 방향에서 어떻게 거동하는지 분석할 수 있었습니다.

지금까지 이것은 한 번에 단일 NV 방향의 응답을 관찰하기 위해 마이크로파 주파수 간에 정기적으로 전환하는 지루하고 시간 소모적인 프로세스였습니다. 새 도구는 이전 방법론에 비해 상당한 개선을 나타냅니다.

기존 기술은 뉴런을 발사하여 생성되는 생체 자기장과 같은 빠른 프로세스에는 작동하지 않습니다. 모든 정보를 포착할 수는 없지만 새로운 기술은 동시에 다양한 방향의 자기장을 측정할 수 있습니다.

이 연구에서 연구원들은 자기장이 변동함에 따라 다이아몬드에서 연속적인 데이터 스트림을 수집했습니다. 새로운 도구는 이 데이터를 수집하는 것보다 더 빠르게 처리할 수 있어 연구원이 자기장의 진폭과 방향을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.

참조:APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | 하버드 관보

이 시스템은 다이아몬드의 Nitrogen-Vacancy 센터를 사용하여 해양 벌레의 신경 신호를 식별한 이전 연구를 기반으로 합니다. 원칙의 증명일 뿐이었다. 효과적인 신경 과학 시스템은 포유류의 뉴런과 호환되어야 하지만, 발사 뉴런은 다양한 방향으로 정렬된 자기장을 생성하기 때문에 그러한 시스템을 만드는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 새로 개발된 도구는 뉴런 자기 감지의 이러한 모든 문제를 처리합니다.

질소 결핍 센터를 사용한 이유는 무엇입니까?

이 작업을 위해 NV 센터는 다이아몬드 격자에 완벽하게 배열됩니다. 각 NV 중심은 하나의 탄소 원자를 질소 원자 및 인접한 공석으로 대체하여 생성됩니다. 각 원자는 4개의 다른 원자에 연결되어 있으므로 4개의 가능한 NV 방향이 있으며 각각은 해당 방향으로 향하는 자기장에 민감합니다. 따라서 4가지 종류의 NV 중심을 사용하여 자기장의 방향을 결정할 수 있습니다.

연구원 제공

이 실험에서 연구원들은 다이아몬드 웨이퍼를 자기장(실험실에서 생성)에 놓고 그 위에 레이저 광을 투사하여 광물을 빛나게 했습니다. NV 센터가 자기장 변경 및 고유한 주파수 변조 패턴에 반응했을 때 NV 센터의 밝기가 크게 변경되었습니다.

연구원들은 밝기의 변화를 추적하고 자기장의 3D 이미지를 만들었습니다. 이제 4개의 NV 방향을 모두 동시에 관찰하고 실시간으로 자기장을 결정할 수 있습니다. 4개의 다른 라디오 채널을 동시에 듣는 것과 같으며 모두 함께 의미가 있습니다.

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다른 과학자들이 하고 있는 것의 작은 개선이지만 저자들은 그들의 기술이 응집 물질 물리학 및 생물학을 포함한 다양한 분야에서 활용될 수 있다고 믿습니다.