Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза. Это можно использовать при создании сверхчувствительных магнитных сенсоров нового поколения для применения в магнитоэнцефалографии при изучении и диагностики эпилепсии и других заболеваний. Результаты опубликованы в журнале JETP Letters.

Изучение характеристик магнитного поля необходимо во многих отраслях: от навигации до медицины. Например, магнитоэнцефалография позволяет зарегистрировать магнитные поля, возникающие при работе мозга, а также измерить активность отдельных нейронов. Этот метод используется при диагностике ряда заболеваний, включая эпилепсию и болезнь Альцгеймера, или при подготовке к операциям на головном мозге. Однако для магнитоэнцефалографии нужны сверхчувствительные магнитометры – приборы, которые фиксируют характеристики даже очень слабых магнитных полей.

Ученые постоянно ищут новые способы создания сверхчувствительных магнитометров нового поколения. Такие устройства должны работать при комнатной температуре, малых входных мощностях, быть компактными и обладать низкой стоимостью. Одним из перспективных вариантов является использование дефектов в наноалмазах. Наноалмазы – это углеродные наноструктуры с высоким показателем преломления и высокой теплопроводностью, которые почти не взаимодействуют с другими веществами и могут содержать сложные дефекты внутренней структуры. Например, NV-центры или центры азот-вакансия.

«Такие дефекты создают искусственно: при удалении атома углерода из кристаллической решетки алмаза, образовавшаяся вакансия связывается с внедренным атомом азота. Уникальность структуры дефекта заключается в том, что электронные спины индивидуального центра манипулируются электромагнитным полями. В зависимости от свойств окружающего микроволнового магнитного поля состояние электронного спина NV-центра меняется, и это можно считывать оптическими методами», – объясняет Дмитрий Зуев, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Тем не менее, отклик одного NV-центра недостаточно силен, поэтому для улучшения чувствительности сенсоров нужно использовать целые группы таких дефектов. При этом возникает проблема: реакцию электронных спинов всех центров в объеме наноалмаза необходимо когерентно синхронизировать. Иными словами, все они должны находиться в микроволновом магнитном поле одинаковой интенсивности, чтобы их отклик был одинаковым.

Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН  предложили использовать диэлектрическую микроволновую антенну для одновременного управления электронными спинами NV-центров в большом объеме наноалмаза. Антенна представляет собой диэлектрический цилиндр с внутренним отверстием, возбуждаемый электрическим током. В центр отверстия антенны помещают наноалмаз со множеством NV-центров. При подаче входной мощности порядка 5 Вт, диэлектрический цилиндр создает сильное однородное магнитное поле вокруг наноалмаза. За счет этого электронные спины всех NV-центров синхронизируются одинаково и тем самым обеспечивают высокую чувствительность магнитометров.

«Главным вызовом этой работы было добиться когерентного управления электронными спинами NV-центров во всем объеме коммерчески-доступного образца наноалмаза. Мы предложили использовать для этого антенну на основе диэлектрического резонатора, рассчитали нужные параметры антенны и оценили ожидаемый эффект. Экспериментальные исследования были проведены совместно с научной группой профессора А. В. Акимова в Москве. Мы собрали экспериментальный образец и измерили частоту Раби, которая показывает, с какой периодичностью происходит “переворот” спина. Чем больше эта величина, тем лучше. Мы получили частоту Раби в 10 мегагерц. Такого значения в объемном образце никто еще не показывал экспериментально, это прорывной результат», – отмечает Полина Капитанова, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Измерение частоты Раби – первый шаг на пути к определению чувствительности нового датчика. В планах ученых продолжить эксперименты и теоретические исследования по поиску новых конфигураций антенны, которые обеспечат еще более высокое качество магнитометров.

Работы были выполнены в рамках гранта РНФ № 16-19-10367.

Анастасия Комарова

Центр научной коммуникации