Na assistência médica, os campos magnéticos da atividade do coração e do cérebro são medidos para detectar doenças em um estágio inicial. Para medir até os menores campos magnéticos, os pesquisadores do Fraunhofer IAF estão trabalhando em uma nova abordagem:magnetometria de limiar a laser à base de diamante. A ideia é usar diamante com alta densidade de centros de vacância de nitrogênio em um sistema a laser. Agora, os pesquisadores conseguiram alcançar um marco:eles foram capazes de demonstrar a primeira medição do mundo de emissão estimulada dependente de campo magnético e até estabelecer um novo recorde de contraste. Os resultados foram publicados na revista Science Advances .
No diagnóstico médico, são necessários sensores sensíveis para medir, por exemplo, os campos magnéticos fracos da atividade cardíaca e cerebral (MCG, MEG) do corpo humano e criar imagens do corpo por meio de ressonância magnética (MRI), que permite a detecção de doenças em estágio inicial. No entanto, apenas alguns sensores de campo magnético altamente sensíveis atingem a precisão necessária e cada um deles apresenta grandes obstáculos técnicos para aplicação clínica.

Os sensores SQUID já estabelecidos requerem resfriamento criogênico complexo de cerca de -270 °C. Magnetômetros de células de vapor (OPMs) são outra opção. Embora estes alcancem as mais altas sensibilidades mesmo sem resfriamento criogênico, eles têm a desvantagem de exigir blindagem absoluta de todos os campos de fundo, incluindo o campo magnético da Terra e, portanto, impõem requisitos estruturais maciços em salas e edifícios. Devido a isso, as medidas elétricas mais imprecisas (ECG, EEG) continuam sendo comuns na prática clínica diária.

No Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF em Freiburg, uma equipe de projeto já está pesquisando uma alternativa mais adequada:"Nosso objetivo é desenvolver um sensor de campo magnético extremamente sensível que funcione à temperatura ambiente, bem como na presença de campos de fundo e, portanto, é útil para implementações clínicas", explica o Dr. Jan Jeske, gerente de projeto do Fraunhofer IAF.

Medindo os menores campos magnéticos com diamante e laser

No projeto "Diamante CVD dopado com NV para magnetometria de limiar de laser ultra-sensível" (abreviado "DiLaMag"), Jeske e sua equipe estão pesquisando uma abordagem única em todo o mundo para sensores de campo magnético quântico altamente sensíveis. Pela primeira vez, eles usam diamante em um sistema a laser, permitindo medições de campo magnético consideravelmente mais precisas.

Para o projeto, o diamante é dopado com uma alta densidade de centros de vacância de nitrogênio (centros NV). "Devido às propriedades do material, o diamante com alta densidade de centros NV pode melhorar muito a precisão da medição quando usado como meio de laser", explica Jeske. Os centros NV no diamante são sistemas atômicos que consistem em um átomo de nitrogênio e um defeito de carbono. Eles absorvem a luz verde e emitem luz vermelha. Como a fluorescência desses centros NV atomicamente pequenos depende da força de um campo magnético externo, eles podem ser usados ​​para medir campos magnéticos com alta resolução local e boa sensibilidade.

Primeira demonstração experimental de magnetometria de limiar de laser

Após vários anos de esforço de pesquisa, a equipe de Jeske alcançou um marco importante:demonstrou a primeira medição do mundo de emissão estimulada dependente de campo magnético. No processo, os pesquisadores fizeram uma descoberta interessante:“Observamos um processo físico muito relevante e anteriormente desconhecido no diamante NV:a absorção de luz vermelha induzida pela irradiação do laser verde”, relata Jeske.

Usando o diamante NV como meio de laser, eles não apenas alcançaram uma amplificação de 64% da potência do sinal por emissão estimulada. A equipe do projeto conseguiu até mesmo estabelecer um recorde mundial:a emissão dependente do campo magnético mostra um contraste de 33% e uma potência máxima de saída no regime de mW. Este é um novo registro de contraste em magnetometria com conjuntos NV.

A emissão estimulada é responsável por isso. "Conseguimos mostrar que esse registro não seria possível com emissão espontânea. Assim, pela primeira vez demonstramos experimentalmente o princípio teórico da magnetometria de limiar de laser", enfatiza Jeske.

Esses resultados também mostram as vantagens da magnetometria de limiar a laser à base de diamante sobre os métodos convencionais e provam que é possível medir os menores campos magnéticos.

Grande progresso na produção de diamante NV

O conceito de magnetometria de limiar de laser só funciona se o diamante tiver uma densidade muito alta de centros NV, mantendo boas propriedades ópticas. Por esse motivo, a equipe do projeto fez um extenso trabalho de material para otimizar o diamante adequadamente. Este trabalho inclui, por um lado, a produção de diamante por CVD (deposição química de vapor) e, por outro lado, pós-processamento por irradiação de elétrons e tratamento de temperatura para aumento da densidade de NV.

Durante o crescimento do diamante por CVD, que permite uma integração muito precisa e controlada dos centros NV, os pesquisadores já conseguiram obter uma alta dopagem de nitrogênio. Usando irradiação de elétrons, eles determinaram uma fluência ideal para a densidade de nitrogênio, resultando em um aumento de 20 a 70 vezes na densidade de NV. Os espectros de absorção permitiram acompanhar a formação dos centros NV ao vivo.

Durante a caracterização, eles estabeleceram as correlações entre três fatores cruciais para conjuntos de NV ideais e os otimizaram:uma alta densidade de NV, uma alta conversão de nitrogênio substituído usando irradiação de alta fluência e uma alta estabilidade de carga. Como resultado desses estudos detalhados, a equipe do Fraunhofer IAF conseguiu pela primeira vez produzir diamante CVD com alta densidade de centros NV e de boa qualidade, criando assim o pré-requisito para o desenvolvimento de magnetometria de limiar a laser à base de diamante para a medição de campos magnéticos extremamente pequenos. + Explorar mais

Em direção a detecção e geração de imagens em nanoescala superiores com sondas de diamante otimizadas