最近,美國(guó)麻省理工大學(xué)(MIT)研究人員利用人造鉆石中的瑕疵開(kāi)發(fā)出新一代超靈敏磁場(chǎng)探測(cè)器,效率達(dá)到上一代探測(cè)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(lái)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(bào)道,純凈鉆石是完全由碳原子組成的晶格結(jié)構(gòu),不會(huì)與磁場(chǎng)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(gè)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(chǎng)相互作用,對(duì)磁場(chǎng)極為敏感,一塊只有拇指甲1/20大小的鉆石芯片就含有萬(wàn)億個(gè)氮空位,每個(gè)空位都能進(jìn)行磁場(chǎng)檢測(cè)?茖W(xué)家希望以此為基礎(chǔ)造出高效便攜的磁力計(jì),問(wèn)題是怎樣把所有檢測(cè)聚集起來(lái)。探測(cè)一個(gè)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(qiáng)度就攜帶了空位磁場(chǎng)狀態(tài)的信息。 要用這種芯片做精準(zhǔn)測(cè)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(shuō),在以往實(shí)驗(yàn)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(guò)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(jì)算了激光入射晶體的角度,使激光能從各棱面反射,就像臺(tái)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(guò)的總路徑加起來(lái)接近1米。”MIT賈米森職業(yè)培訓(xùn)中心電工與計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授德克·英格倫德說(shuō),“就像你把一個(gè)1米長(zhǎng)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(cè)幾乎所有的氮空位。” 當(dāng)一個(gè)光子擊中氮空位中的一個(gè)電子時(shí),會(huì)把它擊入更高的能態(tài),當(dāng)電子回到原來(lái)能態(tài)時(shí),就會(huì)像其他光子一樣釋放出額外能量。而一個(gè)磁場(chǎng),會(huì)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(chǎng)越強(qiáng),就會(huì)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(huì)以4種角度射出。每一邊放一個(gè)透鏡能收集20%的發(fā)射光,把它們聚集到一個(gè)光探測(cè)器上,足夠生成一次可靠的檢測(cè)。
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