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Fraunhofer IAF开发激光阈值磁力计,为下一代高灵敏磁传感器铺路

来源:Ringier 发布时间:2022-06-13 696
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件)
在医疗保健中,测量心脏和大脑活动的磁场可以帮助医师早期发现患者的疾病。为了测量最小的磁场,近日德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(Fraunhofer IAF)的研究人员研发一种新方法:金刚石激光阈值磁强计。

在医疗保健中,测量心脏和大脑活动的磁场可以帮助医师早期发现患者的疾病。为了测量最小的磁场,近日德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(Fraunhofer IAF)的研究人员研发一种新方法:金刚石激光阈值磁强计。


该方法是在激光系统中使用具有高密度氮空位中心的金刚石。现在,研究人员展示了世界上第一次测量磁场相关受激发射,甚至创造了新的对比度纪录。因此,IAF首次证明了激光阈值磁强计的原理,研究结果发表在《科学进步》杂志上。


在医学诊断中,需要敏感传感器来测量人体心脏和大脑活动(MCG、MEG)的弱磁场,并通过磁共振成像(MRI)创建身体图像,从而能够在早期检测疾病。然而,只有少数高灵敏度磁场传感器达到了必要的精度,每种传感器都为临床应用带来了重大的技术障碍。


当前,SQUID传感器需要大约-270°C的复杂低温冷却。蒸汽电池磁强计(OPM)是另一种选择。虽然即使在没有低温冷却的情况下,它们也能达到最高的灵敏度,但缺点是需要对所有背景场(包括地球磁场)进行绝对屏蔽,因此对房间和建筑物提出了大量的结构要求。因此在日常临床实践中,电测量(ECG、EEG)仍然很常见,尽管这种方法不太准确。


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在金刚石中使用NV中心传感器可以测量心脏和大脑活动的磁场,以帮助在早期检测疾病


IAF项目经理Jan Jeske博士解释道,目前IAF正在寻找一种更合适的替代方案,我们的目标是开发一种极为灵敏的磁场传感器,该传感器可在室温下工作,因此对临床实施非常有用。


用金刚石和激光测量最小磁场

在德国联邦教育和研究部资助的“NV掺杂化学气相沉积金刚石超灵敏激光阈值磁强计”(简称“DiLaMag”项目)中,Jeske和他的团队正在研究一种世界范围内独特的高灵敏度量子磁场传感器方法。他们首次在激光系统中使用金刚石,从而实现了相当精确的磁场测量。


在该项目中,金刚石掺杂了高密度的氮空位中心(NV中心)。Jeske解释道:“由于材料特性,当用作激光介质时,具有高密度NV中心的金刚石可以极大地提高测量精度。金刚石中的NV中心是由一个氮原子取代金刚石中的一个碳原子,然后结合周围的一个空位所形成的的缺陷复合体。它们吸收绿光,发出红光。由于这些原子级NV中心的发光取决于外部磁场的强度,因此可用于测量局部分辨率高和良好灵敏度的磁场。


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金刚石样品在辐照后具有较高的NV浓度,因此呈粉红色


激光阈值磁力计的首次实验演示

经过几年的研究努力,Jeske的团队已经达到了一个重要的里程碑:它展示了世界上第一次测量磁场相关受激发射。在这一过程中,研究人员发现了一个有趣的现象:在NV金刚石中观察到了一个非常相关但之前未知的物理过程:绿光激光照射引起的红光吸收。


使用NV金刚石作为激光介质,他们不仅通过受激发射实现了64%的信号功率放大。该项目团队甚至创造了一项世界纪录:依赖磁场的发射显示出33%的对比度,并且在mW状态下具有最大的输出功率。


这是受激发射造成的。Jeske强调:“我们能够证明,这种纪录在自发辐射下是不可能的。因此,我们首次通过实验证明了激光阈值磁强计的理论原理。”这些结果还显示了金刚石激光阈值磁强计的显著优势,并证明测量最小磁场的可能性。


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测量结果显示,受激磁场相关发射(蓝色)与自发发射(红色)相比,对比度纪录接近33%


NV金刚石生产取得重大进展

激光阈值磁强计的概念只有在金刚石具有非常高的NV中心密度,同时保持良好的光学特性的情况下才有效。因此,项目团队做了大量的材料工作优化金刚石。这项工作一方面包括通过化学气相沉积(CVD)生产金刚石,另一方面通过电子辐照和温度处理进行后处理,以增加NV密度。


在CVD金刚石生长过程中,研究人员已经能够实现高氮掺杂,这使得NV中心的集成非常精确和可控。然后利用电子辐照,他们确定了氮密度的最佳注入量,从而使NV密度增加了20至70倍。吸收光谱使他们能够实时跟踪NV中心的形成。在表征过程中,他们建立了最佳NV集成的三个关键因素之间的相关性,并对其进行了优化:高NV密度、高通量辐射下取代氮的高转化率和高电荷稳定性。

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