麻省理工学院研究人员开发出一种新型超灵敏磁场探测器，其能效比前代产品高1,000倍。它有望推动微型电池供电设备的发展，用于医学和材料成像、违禁品探测，甚至地质勘探。
磁场探测器，即磁力计，已经用于上述所有领域。但现有技术存在缺点：有些依赖充气腔室；另一些只能在狭窄的频率范围内工作，限制了它们的用途。
含氮空位（NV）的合成钻石——这种缺陷对磁场极为敏感——长期以来一直被视为高效便携式磁力计的理想基础。一块约为拇指甲二十分之一大小的钻石芯片，可能含有数万亿个氮空位，每个空位都能独立进行磁场测量。
难题在于如何汇总所有这些测量结果。探测氮空位需要用激光照射它，使其吸收并重新发射光。发射光的强度包含有关该空位磁态的信息。
“过去，只有少量泵浦光被用来激发一小部分NV，”新设备的设计者之一、电子工程与计算机科学系Jamieson职业发展助理教授Dirk Englund说。“我们几乎利用全部泵浦光来测量几乎所有的NV。”
麻省理工学院研究人员在最新一期的 《自然·物理学》上报告了这款新设备。论文第一作者是电气工程专业研究生Hannah Clevenson，她的导师是资深作者Englund以及麻省理工学院林肯实验室的物理学家Danielle Braje。Englund的学生Matthew Trusheim和Carson Teale（后者也在林肯实验室）以及麻省理工学院电子学研究实验室的博士后Tim Schröder也参与了研究。
显而易见的缺失
纯钻石是由碳原子构成的晶格，这些原子不会与磁场相互作用。氮空位是晶格中一个缺失的原子，旁边有一个氮原子。空位中的电子会与磁场相互作用，因此可用于传感。
当一个光粒子——光子——撞击氮空位中的电子时，会使其跃迁到更高的能态。当电子回落到原来的能态时，可能会以另一个光子的形式释放多余能量。然而，磁场可以翻转电子的磁取向，即自旋，从而增大其两个能态之间的差异。磁场越强，翻转的自旋就越多，进而改变空位发出光的亮度。
要用这类芯片进行精确测量，就必须尽可能多地收集这些光子。Clevenson说，在此前的实验中，研究人员通常将激光照射到芯片表面，以激发氮空位。
“只有一小部分光被吸收，”她说。“大部分光直接穿过钻石。我们在钻石一角增设棱镜切面，并将激光耦合到侧面，因此获得了巨大的优势。注入钻石的所有光都能被吸收并发挥作用。”
全面覆盖
研究人员计算出激光束进入晶体的角度，使其能够留在晶体内部、在侧面间反射——就像不知疲倦的台球在球桌上来回弹跳——沿着一种覆盖晶体长宽的路径传播，直到全部能量被吸收。
“光程长度可以接近一米，”Englund说。“这就像把一个一米长的钻石传感器卷进几毫米的空间里。”因此，这款芯片利用泵浦激光能量的效率比前代产品高1,000倍。
由于氮空位的几何结构，重新发射的光子会以四个不同角度射出。晶体一端的透镜可以收集其中20%，并将其聚焦到光探测器上，这足以得出可靠的测量结果。
“NV中心很容易使用，”美国海军航空系统司令部的物理学家Frank Narducci说。“你只需要这样一个小型固态样品。不必对它做任何处理。不必将它置于真空中，也不必进行低温冷却。要激发它们，只需使用绿色激光——激光笔就足够了。不需要任何特别精密的稳频激光器。”
“这项工作的巧妙之处在于，他们把样品本身当作波导，让光在其中来回反射，”他继续说。“他们的样品很小。由于激光器不必特别特殊，它也可以很小。因此，你可以设想非常小型的磁力计。相应地，它们也可以做得非常便宜。”
“从海军的角度来看，”他补充道，“我们经常谈到一次性磁力计：你可能飞越海洋某个区域，想要进行一些测量，于是就把一把这样的设备扔出去。如果能得到一种灵敏度非常高、价格又非常低的磁力计，那会是一个很好的应用场景。”
本文由下列机构合作发布： 麻省理工学院新闻。发布本文并不意味着世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：Larry Hardesty是麻省理工学院新闻的特约撰稿人。
图片：图中，激光从合成钻石一角的切面射入，并在钻石内部来回反射，直至能量耗尽。这激发了可用于测量磁场的“氮空位”。图片：H. Clevenson/麻省理工学院 林肯实验室
