Устройство, называемое NV-магнитоскопом, использует уникальные квантово-механические свойства азотно-вакансионных (NV) центров в алмазе. Установка низкотемпературного NV-магнитоскопа включает конфокальный микроскоп (CFM) и атомно-силовой сканирующий микроскоп (AFM). NV-магнитоскоп сможет уловить чрезвычайно слабые магнитные поля всего горстки электронов с пространственным разрешением около 10 нанометров.
«Мы хотим определять магнитные текстуры точнее, чем когда-либо прежде, в меньших масштабах, чем когда-либо прежде», — сказал физик из лаборатории Эймса Руслан Прозоров. «Наша надежда — понять нано- и мезомасштабный магнетизм, научиться управлять им и, в конечном итоге, использовать это для создания нового поколения технологий».Центры NV
Обычно бриллианты ценятся больше всего, когда они идеальные и большие. Но физики видят особую ценность в крошечных недостатках алмазов: определенный вид несовершенства, называемый центром азотных вакансий (NV), служит очень чувствительным датчиком магнитного поля именно в месте расположения NV-центра. NV-центры создаются, когда атом углерода замещается атомом азота. Когда рядом с атомом азота отсутствует атом или «вакансия», образуется стабильная пара, называемая центром азот-вакансия.
Что делает центры NV такими полезными? Физики много знают о том, как работают NV-центры. (Фактически, Лаборатория Эймса является домом для одного из ведущих мировых экспертов по NV-центрам, физика-теоретика Вячеслава Добровицкого.) Ученые знают, сколько энергии требуется, чтобы подтолкнуть электроны из низкоэнергетического или основного состояния в возбужденное состояние и, что еще более важно, сколько энергии будет высвобождено в форме красного фотона, когда электрон релаксирует обратно на низкоэнергетический уровень. Четко определенные квантовые энергетические уровни NV-центров чрезвычайно чувствительны к магнитному полю. Эта чувствительность позволяет NV-магнитоскопу обнаруживать очень слабые магнитные поля — например, создаваемые нано- и мезомасштабными магнитными материалами — путем считывания оптической флуоресценции, излучаемой возбужденными NV-центрами.
Зеленый лазерный свет возбуждает NV-центр«Электроны начинаются с низкоэнергетических квантовых состояний. И зеленый лазерный свет« переводит »их в высоко возбужденное состояние. Правила квантовой механики гласят, что эти электроны должны вернуться обратно на более низкий энергетический уровень.
Если электрон был возбужден из немагнитный уровень, он всегда излучает красный свет, однако, если он был возбужден с одного из низкоэнергетических магнитных уровней, он, скорее всего, расслабляется обратно без какого-либо излучения.Микроволновое излучение используется для перемешивания электронов между низкоэнергетическими магнитными и немагнитными состояниями, достигая максимальной заселенности магнитных состояний, когда межуровневая разность энергий соответствует микроволновой энергии.
Следовательно, при сканировании частоты микроволн красная флуоресценция вызовет двойные углы наклона спектров, соответствующие двум уровням магнитной энергии, разделенным магнитным полем (так называемое зеемановское расщепление). Расстояние между провалами пропорционально магнитному полю в месте расположения NV-центра », — сказал Прозоров.
Детектор считает красные фотоныКогда возбужденные электроны теряют энергию и возвращаются в состояние с низкой энергией, они излучают красный свет.
Детектор считает количество красных фотонов.NV-центры «чувствуют» магнитные поля образцаК наконечнику АСМ прикреплен алмаз длиной примерно 100 нанометров, содержащий NV-центры. Конфокальный микроскоп фокусируется на одном NV-центре, собирая красные фотоны только из одной крошечной области, блокируя внешний «шум».
Интересующий образец сканируется ниже центра NV. NV-центр «чувствует» изменение магнитных полей, создаваемых образцом.«Когда интересующий образец подносится достаточно близко к NV-центру, магнитное поле образца расширяется до местоположения NV-центра и влияет на квантовые энергетические уровни центра.
Путем точного перемещения образца в двух измерениях близко к NV-центру, «Мы можем восстановить карту напряженности магнитного поля, созданную образцом. Это, в свою очередь, дает доступ к магнитным свойствам самого образца», — сказал Прозоров.