Diamentowy pył umożliwia tanie, wysokowydajne wykrywanie pola magnetycznego

Nowość Festool lampa robocza SYSLITE DUO Nowa generacja światła: oświetla całą powierzchnię (Lipiec 2019).

Anonim

Inżynierowie UC Berkeley stworzyli urządzenie, które znacznie zmniejsza energię potrzebną do zasilania detektorów pola magnetycznego, co może zrewolucjonizować sposób mierzenia pól magnetycznych przepływających przez naszą elektronikę, naszą planetę, a nawet nasze ciała.

"Najlepsze obecnie czujniki magnetyczne są nieporęczne, działają tylko w ekstremalnych temperaturach i mogą kosztować dziesiątki tysięcy dolarów" - powiedział Dominik Labanowski, który pomógł stworzyć urządzenie wykonane z diamentów pokrytych azotem, jako naukowiec podoktorancki w dziale elektrotechniki i informatyki. "Nasze czujniki mogą zastąpić te trudniejsze w użyciu czujniki w wielu aplikacjach, od nawigacji po obrazowanie medyczne po eksplorację zasobów naturalnych."

Za każdym razem, gdy czujnik oparty na diamencie mierzy pole magnetyczne, musi najpierw zostać poddany działaniu 1 do 10 watów promieniowania mikrofalowego, aby przygotować je na wrażliwość na pola magnetyczne, które wystarczają do stopienia elementów elektronicznych. Naukowcy odkryli nowy sposób na podniecenie maleńkich diamentów za pomocą mikrofal, zużywając 1000 razy mniej energii, dzięki czemu można tworzyć urządzenia z czujnikiem magnetycznym, które zmieszczą się w elektronice, takiej jak telefony komórkowe.

Prace te prowadzone były przez laboratorium Sayeefa Salahuddina w UC Berkeley we współpracy z naukowcami z Ohio State University. Zespół informuje o swoich urządzeniach online 7 września w czasopiśmie Science Advances.

Wadliwe diamenty

Bombardowanie diamentu strumieniem azotu może wyeliminować niektóre z jego wysoce uporządkowanych atomów węgla, zastępując je atomami azotu. Te interlatory azotu - zwane ośrodkami wakansu azotu (NV) - mają unikalne właściwości, które są dobrze rozumiane przez naukowców.

"Możesz używać tych centrów NV jako bardzo potężnych czujników, ale tradycyjnie ich aplikacje były ograniczone, ponieważ ich odczytanie wymaga dużej mocy" - powiedział Labanowski.

Aby wykryć pole magnetyczne, naukowcy muszą najpierw uderzyć w centra NV za pomocą promieniowania mikrofalowego o wysokiej mocy, równego około jednej setnej mocy standardowej mikrofali lub dziesięciokrotnej mocy zużywanej przez przeciętny telefon komórkowy. Następnie oświetlają centra NV laserem, który jest absorbowany i emitowany przez atomy azotu.

Siła pola magnetycznego jest związana z siłą emitowanego światła laserowego: intensywność emitowanego światła może być użyta do pomiaru natężenia pola

Aby stworzyć urządzenie, naukowcy umieścili diamentowe nanokryształy - zawierające tysiące centrów NV - w jednym filmie o nazwie multiferroic. Ten nowy rodzaj materiału jest w stanie znacznie wydajniej przenosić energię mikrofalową do kryształów.

"Ta technika radykalnie obniża zużycie energii przez czujniki i sprawia, że ​​są one przydatne do realistycznych zastosowań" - powiedział Labanowski.

Obrazowanie wewnątrz ciała i pod ziemią

Zastosowania medyczne czujników magnetycznych obejmują magnetoencefalografię, która wykorzystuje pola magnetyczne do pomiaru fal mózgowych lub magnetokardiografii, która wykorzystuje pola magnetyczne do obrazowania funkcji serca. Obecnie te urządzenia są wielkości małego pokoju i mogą kosztować ponad 3 miliony dolarów.

"Za pomocą niskoenergetycznych czujników NV można sobie wyobrazić, że za pomocą urządzenia magnetoencefalograficznego o wielkości pomieszczenia zamieni się je w coś w rodzaju hełmu, znacznie zmniejszając jego rozmiar i koszty" - powiedział Labanowski.

Czujniki można również umieszczać w samolotach lub dronach, aby pomóc w wykryciu podziemnych metali ziem rzadkich lub w telefonach komórkowych w celu poprawy nawigacji.

Wykrywanie pola magnetycznego to tylko jedna z aplikacji ośrodków NV, mówi Salahuddin. Zespół planuje udoskonalić swoją technologię, aby korzystać z centrów NV i innych rodzajów systemów kwantowych w szerokim zakresie zastosowań.

"Podczas gdy kładliśmy nacisk na wykrywanie pola magnetycznego, nasza praca mogłaby doprowadzić do manipulacji elektrycznych systemów kwantowych w ogólności w znacznie szerszych obszarach zastosowań, w tym w obliczeniach kwantowych" - powiedział Salahuddin.

menu
menu