Diamantstøv gjør det mulig med lave kostnader, høyeffektiv magnetfeltdeteksjon

Anonim

UC Berkeley ingeniører har laget en enhet som dramatisk reduserer energien som trengs for å drive magnetfeltdetektorer, noe som kan revolusjonere hvordan vi måler magnetfeltene som strømmer gjennom vår elektronikk, vår planet og til og med våre kropper.

"De beste magnetiske sensorene der ute i dag er store, opererer kun ved ekstreme temperaturer, og kan koste titusenvis av dollar, " sa Dominic Labanowski, som bidro til å lage enheten, som er laget av nitrogen-infused diamonds, som postdoktorale forsker i avdeling for elektroteknikk og datavitenskap. "Våre sensorer kan erstatte de vanskeligere å bruke sensorer i mange applikasjoner fra navigasjon til medisinsk bildebehandling til naturressursutforskning."

Hver gang en diamantbasert sensor måler et magnetfelt, må det først sprenges med 1 til 10 watt mikrobølgestråling for å prege dem for å være følsomme for magnetfelter, som er nok kraft til å smelte elektroniske komponenter. Forskerne fant en ny måte å spenne små diamanter med mikrobølger med 1000 ganger mindre strøm, noe som gjør det mulig å lage magnetiske sensorer som kan passe inn i elektronikk som mobiltelefoner.

Dette arbeidet ble ledet av Sayeef Salahuddins laboratorium ved UC Berkeley i samarbeid med forskere fra Ohio State University. Teamet rapporterer sin enhet på nettet 7. September i journal Science Advances .

Defekte diamanter

Bombarding en diamant med en stråle med nitrogengass kan slå ut noen av sine høybestilte karbonatomer, erstatte dem med nitrogenatomer. Disse nitrogenintervaller-kalt nitrogen-stillingen (NV) -sentre har unike egenskaper som er godt forstått av forskere.

"Du kan bruke disse NV-sentrene som svært kraftige sensorer, men tradisjonelt har deres applikasjoner vært begrenset fordi det tar mye strøm for å lese dem, " sa Labanowski.

For å oppdage magnetfelter må forskerne først treffe NV-sentrene med kraftig mikrobølgestråling, som tilsvarer omtrent en hundre av kraften i din standard mikrobølgeovn eller ti ganger kraften som forbrukes av en gjennomsnittlig mobiltelefon. De belyser NV-sentrene med en laser, som absorberes og utledes av nitrogenatomer.

Styrken til magnetfeltet er relatert til styrken til det utstrålede laserlyset: intensiteten til det utstrålede lyset kan brukes til å måle feltstyrken

For å lage enheten, plasserte forskerne diamant nanokrystaller-inneholdende tusenvis av NV-sentre på en film kalt multiferroic. Denne nye typen materiale er i stand til å overføre mikrobølgeenergi til krystallene mye mer effektivt.

"Denne teknikken reduserer sensorens strømforbruk dramatisk og gjør dem brukbare for realistiske applikasjoner, " sa Labanowski.

Imaging inne i kroppen og under jorden

Medisinske applikasjoner av magnetiske sensorer inkluderer magnetoencefalografi, som bruker magnetfelter til å måle hjernebølger eller magnetokardiografi, som bruker magnetfelt til bildehjertefunksjon. For tiden er disse maskinene størrelsen på et lite rom og kan koste opp til $ 3 millioner.

"Med lav-effekt NV-sensorer, kan du tenke deg å ta en romstørrelsesmagnetoencefalografimaskin og gjøre den til noe som en hjelm, dramatisk redusere størrelsen og kostnadene, " sa Labanowski.

Sensorene kan også plasseres i fly eller droner for å hjelpe til med å spotte sjeldne jordmetaller under jorden, eller brukes i mobiltelefoner for å forbedre navigasjonen.

Magnetisk felt deteksjon er bare en applikasjon av NV sentre, sier Salahuddin. Teamet planlegger å avgrense teknologien til å bruke NV-sentre og andre typer kvantesystemer i et bredt spekter av applikasjoner.

"Mens vi understreket magnetfeltavkjenning, kan vårt arbeid føre til elektrisk manipulering av kvantesystemer generelt med mye bredere anvendelsesområder, inkludert kvantemåling, " sa Salahuddin.

menu
menu