加州大學(xué)伯克利分校的工程師們創(chuàng)造了一種能夠顯著降低為磁場(chǎng)探測(cè)器供電所需能量的設(shè)備，這可以徹底改變我們測(cè)量流經(jīng)電子設(shè)備，地球乃至我們身體的磁場(chǎng)的方式。

“今天最好的磁傳感器體積龐大，只能在極端溫度下工作，可能要花費(fèi)數(shù)萬(wàn)美元，”Dominic Labanowski說(shuō)道，他幫助創(chuàng)造了這種由注入氮?dú)獾你@石制成的設(shè)備，作為博士后研究人員在電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系。“我們的傳感器可以替代那些在導(dǎo)航，醫(yī)療成像和自然資源勘探等許多應(yīng)用中難以使用的傳感器。”

每次基于金剛石的傳感器測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，必須首先用1到10瓦的微波輻射進(jìn)行爆破，以使它們對(duì)磁場(chǎng)敏感，這足以熔化電子元件。研究人員發(fā)現(xiàn)了一種利用微波激發(fā)微小鉆石的新方法，其功耗降低了1000倍，因此可以創(chuàng)建適合手機(jī)等電子設(shè)備的磁感應(yīng)設(shè)備。

這項(xiàng)工作由加州大學(xué)伯克利分校的Sayeef Salahuddin實(shí)驗(yàn)室與俄亥俄州立大學(xué)的研究人員合作領(lǐng)導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)于9月7日在Science Advances雜志上在線報(bào)告他們的設(shè)備。

瑕疵鉆石

用氮?dú)馍淞鬓Z擊鉆石可以剔除一些高度有序的碳原子，用氮原子取代它們。這些氮?dú)馊肭终?- 稱為氮空位(NV)中心 - 具有科學(xué)家們所熟知的獨(dú)特性質(zhì)。

“你可以將這些NV中心用作非常強(qiáng)大的傳感器，但傳統(tǒng)上它們的應(yīng)用受到限制，因?yàn)樗枰艽蟮墓β什拍茏x取它們，”Labanowski說(shuō)。

為了檢測(cè)磁場(chǎng)，科學(xué)家首先必須使用高功率微波輻射擊中NV中心，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)微波功率的約百分之一，或普通手機(jī)功耗的十倍。然后，他們用激光照射NV中心，激光被氮原子吸收和發(fā)射。

磁場(chǎng)的強(qiáng)度與發(fā)射的激光強(qiáng)度有關(guān)：發(fā)射光的強(qiáng)度可用于測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)

為了制造這種裝置，研究人員將金剛石納米晶體 - 每個(gè)包含數(shù)千個(gè)NV中心 - 放置在稱為多鐵性的薄膜上。這種新型材料能夠更有效地將微波能量傳遞給晶體。

“這項(xiàng)技術(shù)大大降低了傳感器的功耗，使其可用于實(shí)際應(yīng)用，”Labanowski說(shuō)。

在身體內(nèi)部和地球下成像

磁傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括使用磁場(chǎng)測(cè)量腦電波的腦磁圖，或使用磁場(chǎng)對(duì)心臟功能進(jìn)行成像的心磁圖。目前這些機(jī)器的大小相當(dāng)于一個(gè)小房間，可能花費(fèi)超過(guò)300萬(wàn)美元。

Labanowski表示，“使用低功率NV傳感器，你可以想象用一個(gè)房間大小的腦磁圖機(jī)并將它變成類似頭盔的東西，大大減小尺寸和成本。”

傳感器也可以放置在飛機(jī)或無(wú)人機(jī)中，以幫助在地下發(fā)現(xiàn)稀土金屬，或用于手機(jī)以改善導(dǎo)航。

Salahuddin說(shuō)，磁場(chǎng)檢測(cè)只是NV中心的一個(gè)應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃改進(jìn)他們的技術(shù)，以便在各種應(yīng)用中使用NV中心和其他類型的量子系統(tǒng)。

“雖然我們強(qiáng)調(diào)磁場(chǎng)感應(yīng)，但我們的工作可能導(dǎo)致量子系統(tǒng)的電子操作，包括量子計(jì)算在內(nèi)的更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，”Salahuddin說(shuō)。