Демонстратор лазерного порогового магнитометра. В перспективе показана полость, в которой ученые измерили усиление и вынужденное излучение, зависящее от магнитного поля. Предоставлено: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

В медицинской диагностике необходимы чувствительные датчики для измерения, например, слабых магнитных полей сердечной и мозговой деятельности (МСГ, МЭГ) человеческого тела и создания изображений тела с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), что позволяет обнаруживать заболеваний на ранней стадии. Однако лишь немногие высокочувствительные датчики магнитного поля достигают необходимой точности, и каждый из них представляет серьезные технические препятствия для клинического применения.

Уже зарекомендовавшие себя СКВИД-сенсоры требуют сложного криогенного охлаждения около -270°С. Еще одним вариантом являются магнитометры с паровыми ячейками (OPM). Хотя они обеспечивают высочайшую чувствительность даже без криогенного охлаждения, они имеют тот недостаток, что требуют абсолютного экранирования всех фоновых полей, включая магнитное поле Земли, и, таким образом, предъявляют огромные конструктивные требования к помещениям и зданиям. В связи с этим более неточные электрические измерения (ЭКГ, ЭЭГ) продолжают оставаться обычным явлением в повседневной клинической практике.

В Фраунгоферовском институте прикладной физики твердого тела IAF во Фрайбурге проектная группа уже исследует более подходящую альтернативу: «Наша цель — разработать чрезвычайно чувствительный датчик магнитного поля, который работает как при комнатной температуре, так и в присутствии фоновых полей и таким образом полезен для клинических применений», — объясняет д-р Ян Йеске, руководитель проекта Fraunhofer IAF.

Измерение мельчайших магнитных полей с помощью алмаза и лазера

В проекте «Алмаз, легированный NV, для сверхчувствительной лазерной пороговой магнитометрии» (сокращенно «DiLaMag») Йеске и его команда исследуют уникальный во всем мире подход к высокочувствительным квантовым датчикам магнитного поля. Впервые они используют алмаз в лазерной системе, что позволяет значительно повысить точность измерений магнитного поля.

Для проекта алмаз легирован высокой плотностью азотно-вакансионных центров (NV-центров). «Благодаря своим свойствам материала алмаз с высокой плотностью NV-центров может значительно повысить точность измерений при использовании в качестве лазерной среды», — объясняет Йеске. NV-центры в алмазе представляют собой атомарные системы, состоящие из атома азота и дефекта углерода. Они поглощают зеленый свет и излучают красный свет. Поскольку флуоресценция этих атомарно малых NV-центров зависит от силы внешнего магнитного поля, их можно использовать для измерения магнитных полей с высоким локальным разрешением и хорошей чувствительностью.

Образец алмаза имеет высокую концентрацию NV после облучения, которая отвечает за розовый цвет. Предоставлено: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Первая экспериментальная демонстрация лазерной пороговой магнитометрии

После нескольких лет исследований команда Джеске достигла важной вехи: она продемонстрировала первое в мире измерение вынужденного излучения, зависящего от магнитного поля. В процессе исследователи сделали интересное открытие: «Мы наблюдали очень важный и ранее неизвестный физический процесс в алмазе NV: поглощение красного света, вызванное зеленым лазерным излучением», — сообщает Йеске.

Используя NV-алмаз в качестве лазерной среды, они не только добились 64-процентного усиления мощности сигнала за счет вынужденного излучения. Команда проекта даже смогла установить мировой рекорд: излучение, зависящее от магнитного поля, показывает контраст 33 процента и максимальную выходную мощность в режиме мВт. Это новый рекорд контраста в магнитометрии с ансамблями NV.

За это отвечает вынужденное излучение. «Мы смогли показать, что этот рекорд был бы невозможен при спонтанном излучении. Таким образом, мы впервые экспериментально продемонстрировали теоретический принцип лазерной пороговой магнитометрии», — подчеркивает Йеске.

Эти результаты также показывают преимущества лазерной пороговой магнитометрии на основе алмаза по сравнению с обычными методами и доказывают, что можно измерять мельчайшие магнитные поля.

Большой прогресс в производстве алмазов NV

Концепция лазерной пороговой магнитометрии работает только в том случае, если алмаз имеет очень высокую плотность NV-центров, сохраняя при этом хорошие оптические свойства. По этой причине проектная группа проделала обширную работу с материалами для соответствующей оптимизации алмазов. Эта работа включает в себя, с одной стороны, получение алмаза методом CVD (химическое осаждение из газовой фазы), а с другой стороны, постобработку электронным облучением и температурную обработку для повышения плотности NV.

Во время выращивания алмаза методом CVD, который обеспечивает очень точную и контролируемую интеграцию NV-центров, исследователи уже смогли добиться высокого легирования азотом. Затем, используя облучение электронами, они определили оптимальный флюенс для плотности азота, что привело к увеличению плотности NV в 20–70 раз. Спектры поглощения позволили им вживую проследить за образованием центров NV.

Во время характеристики они установили корреляции между тремя ключевыми факторами для оптимальных ансамблей NV и оптимизировали их: высокая плотность NV, высокая конверсия замещенного азота с использованием облучения с высокой плотностью энергии и высокая стабильность заряда. В результате этих подробных исследований команде Fraunhofer IAF впервые удалось получить CVD-алмаз с высокой плотностью NV-центров и хорошего качества, что создало предпосылки для разработки лазерной пороговой магнитометрии на основе алмаза для измерения очень малых магнитных полей.