Физики 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 недорогими. Для этого ученые предлагают, например, использовать в них наноалмазы — 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 электромагнитными полями. В зависимости от свойств окружающего микроволнового магнитного поля состояние электронного спина NV-центра меняется, и это можно считывать оптическими методами», — объясняет один из авторов работы, научный сотрудник Университета ИТМО Дмитрий Зуев.

Тем не менее отклик одного NV-центра недостаточно силен, поэтому, чтобы улучшить чувствительность 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.

Российские ученые предложили использовать диэлектрическую микроволновую антенну для того, чтобы одновременно управлять 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.

Схема микроволновой антенны, предназначенной для синхронизации электронных спинов группы дефектов в структуре наноалмаза

«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. 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 другой автор работы, Полина Капитанова из Университета ИТМО.

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