金刚石粉尘可实现低成本，高效率的磁场检测

近期，加州大学伯克利分校的工程师发明了一种装置，可以大大降低磁场探测器供电所需的能量，这种装置有望彻底改变我们如何测量流经电子设备、地球甚至人体的磁场的方式。

由加州大学伯克利分校的工程师开发的新设备可提供低成本，高效率的磁场检测。（图片来源：Windell Oskay）

“如今最好的磁传感器体积庞大，只能在极端的温度下工作，而且要花费数万美元。”Dominic Labanowski说道，他是电气工程和计算机科学系的博士后研究员，帮助制造了这种由注入氮气的金刚石制成的设备，他表示这种传感器可以替代那些在导航，医疗成像和自然资源勘探等许多应用中难以使用的传感器。

Dominic Labanowski

每当基于金刚石的传感器测量磁场时，必须首先用1到10瓦的微波辐射进行爆破，以使其对磁场敏感，这一磁场足以熔化电子元件。研究人员发现了一种利用微波激发微小金刚石的新方法，其功大约只有原来的1/1000，从而可以制造出适合手机等电子设备的磁感应设备。
 
这项工作由加州大学伯克利分校的Sayeef Salahuddin教授与俄亥俄州立大学的研究人员合作完成。该团队于9月7日在《Science Advances》杂志上发表了他们的研究成果，并展示了这一设备。

Sayeef Salahuddin教授

有缺陷的金刚石

用氮气喷射轰击金刚石可以剔除一些高度有序的碳原子，用氮原子取代它们。这些氮气入侵者也被称为氮空位（NV）中心 ，从而赋予整个金刚石以独特的性质。
 
“你可以将这些NV中心用作非常强大的传感器，但在传统上，它们的应用受到限制，因为需要很大的功率才能读取它们，”Labanowski说。
 
为了探测磁场，科学家首先必须使用高功率微波辐射来击中NV中心，这相当于标准微波功率的大约百分之一，或者是普通手机消耗功率的10倍。然后，他们用激光照射NV中心，激光被氮原子吸收和发射。磁场的强度与发射的激光强度有关：发射光的强度可用于测量场强。
 
为了制造这种装置，研究人员将纳米金刚石晶体（每个包含数千个NV中心）放置在称为多铁性的薄膜上，这种新型材料能够更有效地将微波能量传递给晶体。
 
“这项技术大大降低了传感器的功耗，使其可用于实际应用，”Labanowski解释

在体内和地下成像

磁传感器的医学应用包括使用磁场测量脑电波的脑磁图，或使用磁场来成像心脏功能的心磁图。目前这些机器的体积相当于一个小房间，可能花费超过300万美元。
 
“使用低功率NV传感器，你可以想象用一个房间大小的脑磁图机并把它变成类似头盔的东西，可以大大减小尺寸和成本，”Labanowski说。
 
这种传感器也可以放置在飞机或无人机中，以帮助在地下发现稀土金属，或用于手机以改善导航效果。
 
Salahuddin说，“磁场检测只是NV中心的一个应用，虽然我们强调磁场感应，但我们的工作可能导致量子系统的电子操作，其应用范围更广，包括量子计算。”目前该团队正计划改进他们的技术，以便在各种应用中使用NV中心和其他类型的量子系统。
 
该论文的共同作者是俄亥俄州立大学物理系的V. Praveen Bhallamudi，Qiaochi Guo，Carola M. Purser和Brendan A. McCullian。

主要内容来自编译整理，仅供参考。

原文链接：

http://news.berkeley.edu/2018/09/10/diamond-dust-enables-low-cost-high-efficiency-magnetic-field-detection/