研究:人造鑽石磁場探測器效率提高千倍

2020-12-02 人民網

原標題：研究：人造鑽石磁場探測器效率提高千倍

　　最近，美國麻省理工大學(MIT)研究人員利用人造鑽石中的瑕疵開發出新一代超靈敏磁場探測器，效率達到上一代探測器的近千倍。這將為醫療領域、材料成像、走私檢查甚至地質勘探帶來微型化的電池充電設備。相關論文發表在最近出版的《自然·物理學》雜誌上。

　　據物理學家組織網日前報導，純淨鑽石是完全由碳原子組成的晶格結構，不會與磁場相互作用。人造鑽石中的瑕疵叫做氮晶格空位，是晶格中一個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相互作用，對磁場極為敏感，一塊只有拇指甲1/20大小的鑽石晶片就含有萬億個氮空位，每個空位都能進行磁場檢測。科學家希望以此為基礎造出高效便攜的磁力計，問題是怎樣把所有檢測聚集起來。探測一個氮空位要用雷射照射它，它吸收光子然後再發出光，再發射光的強度就攜帶了空位磁場狀態的信息。

　　要用這種晶片做精準測量，需要收集儘可能多的光子。論文第一作者、研究生漢娜·克萊文森說，在以往實驗中，通常是直接用雷射激發晶片表面的氮空位。「這樣只能吸收一小部分光，大部分光都通過了鑽石。而我們給鑽石增加了稜面，使雷射在鑽石內耦合在一起，所有入射光都能被吸收利用。」

　　研究人員計算了雷射入射晶體的角度，使雷射能從各稜面反射，就像撞球桌上的撞球，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。「通過的總路徑加起來接近1米。」MIT賈米森職業培訓中心電工與計算機科學副教授德克·英格倫德說，「就像你把一個1米長的鑽石傳感器僅纏到幾毫米內。」因此，晶片的泵浦雷射能效達到了以往的近千倍。「我們能利用幾乎所有的泵浦光檢測幾乎所有的氮空位。」

　　當一個光子擊中氮空位中的一個電子時，會把它擊入更高的能態，當電子回到原來能態時，就會像其他光子一樣釋放出額外能量。而一個磁場，會彈擊電子的磁向(或自旋方向)，增大它在兩種能態之間的能量差。磁場越強，就會彈擊越多的電子自旋，改變空位發光的亮度。

　　由於氮晶格空位的幾何結構，重新發出的光子會以4種角度射出。每一邊放一個透鏡能收集20%的發射光，把它們聚集到一個光探測器上，足夠生成一次可靠的檢測。(記者 常麗君)

(來源:科技日報)

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