Magnetómetro de diamante rompe récords de sensibilidad

En 1896, un joven físico llamado Pieter Zeeman fue despedido por realizar un experimento en contra de los deseos específicos de su supervisor de laboratorio. A pesar de las consecuencias, el experimento condujo a un descubrimiento notable que cambió la vida de Zeeman.

El experimento consistía en medir la luz emitida por elementos colocados en un potente campo magnético. Cuando hizo esto, Zeeman descubrió que las líneas espectrales estaban divididas por el campo. En 1902, recibió el Premio Nobel de física por este descubrimiento que ahora se conoce como el efecto Zeeman.

Es particularmente útil para medir campos magnéticos a distancia. Por ejemplo, los astrofísicos lo usan para mapear variaciones en el campo magnético del sol. Pero también se puede usar para medir campos en una escala mucho más pequeña. En teoría, el efecto podría usarse para observar la influencia de un campo magnético en un solo átomo.

Si bien no han llegado tan lejos, Thomas Wolf de la Universidad de Stuttgart en Alemania y algunos amigos se han acercado bastante. Estos muchachos han utilizado los espectros de los átomos de nitrógeno incrustados en el diamante para construir quizás el magnetómetro más sensible jamás fabricado. Dicen que su nuevo dispositivo pronto podría ser capaz de medir el campo magnético asociado con los protones.

Primero, algunos antecedentes sobre los magnetómetros. En los últimos años, los físicos han fabricado magnetómetros cada vez más sensibles utilizando una variedad de técnicas diferentes. Un problema al que se enfrentan todos es que los campos magnéticos decaen muy rápidamente con la distancia, como 1/r^3.

Eso significa que el tamaño del sensor tiene un impacto importante en lo que puede detectar, ya que el campo magnético puede cambiar significativamente en todo el volumen del sensor. Entonces, una tarea importante es hacer que los magnetómetros sean lo más pequeños posible.

Ahí es donde entra el diamante. El diamante es un cristal tridimensional hecho de carbono. Sin embargo, cuando un átomo de carbono en la estructura se reemplaza con nitrógeno, esto produce un electrón libre adicional.

Cuando este electrón se excita con la luz láser, emite fluorescencia a una frecuencia que depende de su entorno. Un campo magnético en particular puede cambiar esta frecuencia, a través del efecto Zeeman, lo que hace que los defectos de nitrógeno en el diamante sean un tipo prometedor de magnetómetro.

Por supuesto, abordar un solo átomo en una estructura de este tipo y registrar su fluorescencia con precisión es un asunto complicado. Entonces, Wolf y compañía usan un conjunto completo de defectos de nitrógeno en un volumen de diamante que ocupa solo una fracción de milímetro cúbico. Estiman que esto contiene varios miles de millones de átomos de nitrógeno.

Aunque un centro de este tamaño es muchos órdenes de magnitud más grande que un átomo individual, produce una señal fluorescente que es mucho más fácil de medir. Eso hace que el dispositivo sea práctico. Incluso con este tamaño, el magnetómetro es uno de los más pequeños jamás fabricados.

Para averiguar qué tan sensible, Wolf y compañía pusieron a prueba el dispositivo, eliminando cuidadosamente el ruido en cada paso. Los resultados son impresionantes. El equipo finalmente midió una fuerza de campo de solo 100 femtoTesla. Eso es comparable con los magnetómetros más sensibles del planeta. Y creen que pueden hacerlo aún mejor con mejoras relativamente sencillas que deberían aumentar la sensibilidad en dos órdenes de magnitud.

Pero aquí está la cosa: lo que es único acerca de este dispositivo es que es pequeño y sensitivo, una combinación nunca antes lograda. Eso convierte a este dispositivo en una especie de rompedor de récords. Puede medir la fuerza del campo magnético en pequeños volúmenes que nunca antes habían sido accesibles. En otras palabras, abre la detección de la fuerza del campo magnético en una escala completamente nueva utilizando un dispositivo de estado sólido que funciona a temperatura ambiente.

Un objetivo en esta área es medir los campos magnéticos de los protones en el agua. La sensibilidad de este dispositivo busca que esto sea posible. Este valor en sí mismo permite la detección de giros de protones en un volumen resoluble microscópicamente en menos de un segundo, dice Wolf y compañía.

Los magnetómetros se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, que van desde la exploración de minerales y la arqueología hasta el posicionamiento de sistemas de armas y monitores de latidos cardíacos. Por lo tanto, es probable que un dispositivo de estado sólido robusto y altamente sensible que funcione a temperatura ambiente sea útil. Zeeman se habría quedado impresionado.

Ref: arxiv.org/abs/1411.6553 : Un Magnetómetro de Diamante Subpicotesla

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