Uma nova maneira de medir campos magnéticos em escala atômica com grande precisão, não apenas para cima e para baixo, mas para os lados também, foi desenvolvido por pesquisadores do MIT. A nova ferramenta pode ser útil em aplicações tão diversas como mapear os impulsos elétricos dentro de um neurônio de disparo, caracterizando novos materiais magnéticos, e sondagem de fenômenos físicos quânticos exóticos.

A nova abordagem é descrita hoje na revista Cartas de revisão física em um artigo do estudante graduado Yi-Xiang Liu, ex-aluno de graduação Ashok Ajoy, e professora de ciência nuclear e engenharia Paola Cappellaro.

A técnica se baseia em uma plataforma já desenvolvida para sondar campos magnéticos com alta precisão, usando pequenos defeitos no diamante chamados centros de vacância de nitrogênio (NV). Esses defeitos consistem em dois locais adjacentes na estrutura ordenada de átomos de carbono do diamante, onde os átomos de carbono estão faltando; um deles é substituído por um átomo de nitrogênio, e o outro fica vazio. Isso deixa ligações ausentes na estrutura, com elétrons que são extremamente sensíveis a pequenas variações em seu ambiente, sejam eles elétricos, magnético, ou à base de luz.

Os usos anteriores de centros NV únicos para detectar campos magnéticos foram extremamente precisos, mas apenas capazes de medir essas variações ao longo de uma única dimensão, alinhado com o eixo do sensor. Mas para alguns aplicativos, como mapear as conexões entre os neurônios medindo a direção exata de cada impulso de disparo, seria útil medir o componente lateral do campo magnético também.

Essencialmente, o novo método resolve esse problema usando um oscilador secundário fornecido pelo spin nuclear do átomo de nitrogênio. O componente lateral do campo a ser medido desloca a orientação do oscilador secundário. Ao colocá-lo um pouco fora do eixo, o componente lateral induz um tipo de oscilação que aparece como uma flutuação periódica do campo alinhado com o sensor, transformando assim esse componente perpendicular em um padrão de onda sobreposto ao primário, medição de campo magnético estático. Isso pode então ser convertido matematicamente de volta para determinar a magnitude do componente lateral.

O método fornece tanta precisão nesta segunda dimensão quanto na primeira dimensão, Liu explica, enquanto ainda usa um único sensor, mantendo assim sua resolução espacial em nanoescala. Para ler os resultados, os pesquisadores usam um microscópio óptico confocal que faz uso de uma propriedade especial dos centros NV:quando exposto à luz verde, eles emitem um brilho vermelho, ou fluorescência, cuja intensidade depende de seu estado de rotação exato. Esses centros NV podem funcionar como qubits, o equivalente de computação quântica dos bits usados ​​na computação comum.

"Podemos dizer o estado de spin a partir da fluorescência, "Liu explica." Se estiver escuro, "produzindo menos fluorescência, "esse é um estado 'um', e se estiver claro, esse é um estado 'zero', "ela diz." Se a fluorescência é algum número intermediário, então o estado de spin está em algum lugar entre 'zero' e 'um'. "

A agulha de uma bússola magnética simples indica a direção de um campo magnético, mas não sua força. Alguns dispositivos existentes para medir campos magnéticos podem fazer o oposto, medindo a força do campo precisamente ao longo de uma direção, mas não dizem nada sobre a orientação geral desse campo. Essa informação direcional é o que o novo sistema de detector não pode fornecer.

Neste novo tipo de "bússola, "Liu disse, "podemos dizer para onde está apontando pelo brilho da fluorescência, "e as variações desse brilho. O campo primário é indicado pelo geral, nível de brilho constante, enquanto a oscilação introduzida pelo afastamento do campo magnético do eixo aparece como um regular, variação ondulatória desse brilho, que pode então ser medido com precisão.

Uma aplicação interessante para esta técnica seria colocar os centros NV de diamante em contato com um neurônio, Liu diz. Quando a célula dispara seu potencial de ação para acionar outra célula, o sistema deve ser capaz de detectar não apenas a intensidade do seu sinal, mas também sua direção, ajudando assim a mapear as conexões e ver quais células estão acionando quais outras. De forma similar, em testar novos materiais magnéticos que podem ser adequados para armazenamento de dados ou outras aplicações, o novo sistema deve permitir uma medição detalhada da magnitude e orientação dos campos magnéticos no material.

Ao contrário de alguns outros sistemas que requerem temperaturas extremamente baixas para operar, este novo sistema de sensor magnético pode funcionar bem em temperatura ambiente normal, Liu disse, tornando viável testar amostras biológicas sem danificá-las.

A tecnologia para esta nova abordagem já está disponível. "Você pode fazer isso agora, mas você precisa primeiro reservar algum tempo para calibrar o sistema, "Liu diz.

Por enquanto, o sistema fornece apenas uma medição do componente perpendicular total do campo magnético, não sua orientação exata. "Agora, nós apenas extraímos o componente transversal total; não podemos identificar a direção, "Liu diz. Mas adicionar esse componente tridimensional pode ser feito introduzindo um campo magnético estático como ponto de referência. "Contanto que possamos calibrar esse campo de referência, " ela diz, seria possível obter informações tridimensionais completas sobre a orientação do campo, e "há muitas maneiras de fazer isso."

Amit Finkler, um cientista sênior em física química no Instituto Weizmann de Israel, que não estava envolvido neste trabalho, diz "Esta é uma pesquisa de alta qualidade.… Eles obtêm uma sensibilidade a campos magnéticos transversais em paridade com a sensibilidade DC para campos paralelos, o que é impressionante e encorajador para aplicações práticas. "

Finkler acrescenta, "Conforme os autores escrevem humildemente no manuscrito, este é de fato o primeiro passo em direção à magnetometria vetorial em nanoescala. Resta saber se sua técnica pode realmente ser aplicada a amostras reais, como moléculas ou sistemas de matéria condensada. "No entanto, ele diz, "O resultado final é que, como um potencial usuário / implementador desta técnica, Estou muito impressionado e, além disso, encorajado a adotar e aplicar este esquema em minhas configurações experimentais. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.