p Cientistas da ITMO University e do Lebedev Physical Institute da Russian Academy of Sciences propuseram uma nova antena de microondas que cria um campo magnético uniforme em grande volume. É capaz de uniformizar, endereçamento coerente dos spins eletrônicos de um conjunto de defeitos de estrutura de nanodiamantes. Isso pode ser usado para criar detectores de campo magnético super-sensíveis para magnetoencefalografia no estudo e diagnóstico de epilepsia e outras doenças. Os resultados são publicados em Cartas JETP . p O estudo das características do campo magnético é necessário em muitas indústrias, da navegação à medicina. Por exemplo, magnetoencefalografia pode registrar campos magnéticos decorrentes da atividade cerebral, bem como medir a atividade de neurônios individuais. Este método é usado no diagnóstico de epilepsia e doença de Alzheimer, e a cirurgia de preparação do cérebro. Contudo, magnetoencefalografia requer magnetômetros super-sensíveis, dispositivos que registram as características de campos magnéticos muito fracos.

p Portanto, os cientistas estão constantemente procurando por novas maneiras de criar magnetômetros super-sensíveis. Esses dispositivos devem operar em temperatura ambiente com baixa potência de entrada. Além disso, eles devem ser compactos e relativamente baratos. Uma das opções promissoras neste campo são os nanodiamantes com defeitos. Os nanodiamantes são nanoestruturas de carbono com alto índice de refração e alta condutividade térmica, que quase não têm interação com outras substâncias. Eles podem conter defeitos estruturais internos complexos, como centros de vacância de nitrogênio (NV).

p "Esses defeitos podem ser criados artificialmente. Quando um átomo de carbono é removido da estrutura de cristal do diamante, a vacância resultante é ligada ao átomo de nitrogênio implantado. A estrutura deste defeito é única, uma vez que os spins eletrônicos do centro individual são manipulados por campos eletromagnéticos. Dependendo das propriedades do campo magnético de micro-ondas circundante, o estado do spin do elétron do centro NV está mudando, e isso pode ser registrado com métodos ópticos, "explica Dmitry Zuev, pesquisador da Faculdade de Física e Tecnologia da ITMO University.

p Contudo, como a resposta de um único centro NV não é forte o suficiente, um conjunto de tais defeitos é necessário para melhorar a sensibilidade dos sensores. É aqui que surge um problema, já que a reação dos spins do elétron de todos os centros do nanodiamante deve ser tratada e manipulada de forma coerente. Em outras palavras, todos eles devem estar em um campo magnético de micro-ondas com a mesma intensidade para que sua resposta seja a mesma.

p Cientistas da ITMO University e do Lebedev Physical Institute da Russian Academy of Sciences sugeriram o uso de uma antena dielétrica de microondas para controlar de forma coerente os spins de elétrons dos centros NV em todo o volume do nanodiamante. A antena é representada por um cilindro dielétrico com um orifício interno contendo nanodiamantes com muitos centros NV. Este sistema é excitado por uma corrente elétrica. Uma vez que uma potência de entrada de cerca de 5 watts é aplicada, o cilindro dielétrico cria um campo magnético forte e uniforme em torno do nanodiamante. Como resultado, os spins do elétron de todos os centros NV são sincronizados da mesma maneira e, portanto, fornecem uma alta sensibilidade aos magnetômetros.

p “O principal desafio deste trabalho foi conseguir um controle coerente dos spins dos elétrons dos centros NV em todo o volume da amostra de nanodiamantes comercialmente disponível. Decidimos usar uma antena baseada em um ressonador dielétrico para isso. Calculamos a antena necessária e estimar o efeito esperado. Estudos experimentais foram conduzidos em colaboração com o grupo de pesquisa do Professor Alexey Akimov em Moscou. Coletamos uma amostra experimental e medimos a frequência de Rabi. que mostra a frequência com que os spins do elétron podem ser manipulados. Quanto maior for esse valor, o melhor. Temos uma frequência Rabi de 10 megahertz. Tal resultado nunca foi demonstrado experimentalmente para uma amostra de volume antes, então isso é realmente um grande avanço, "disse Polina Kapitanova, pesquisador da Faculdade de Física e Tecnologia da ITMO University.

p Medir a frequência de Rabi é o primeiro passo para determinar a sensibilidade do novo magnetômetro. Os cientistas planejam continuar os experimentos e estudos teóricos, em busca de novas configurações de antena que fornecerão magnetômetros de qualidade ainda mais alta.