麻省理工学院研究人员发明了一种测量原子尺度磁场的新方法，不仅可以测量上下磁场，还可以测量横向磁场。这个新工具可以应用于各种各样的领域，如绘制神经元内部的电脉冲图、表征新磁性材料以及探测奇异的量子物理现象。今天（2019年3月15日）在《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊上发表的一篇论文中，对这种新方法进行了描述。论文作者是研究生刘一祥、前研究生阿肖克?阿乔伊(Ashok Ajoy)和核科学与工程教授保拉?卡佩拉罗(Paola Cappellaro)。
博科园-科学科普：这项技术建立在一个已经开发出来的平台上，利用金刚石中被称为氮空位(NV)中心的微小缺陷，以高精度探测磁场。这些缺陷包括金刚石有序的碳原子晶格中两个相邻碳原子缺失的位置；其中一个被一个氮原子取代，另一个则是空的。这使得结构中缺少键，电子对周围环境的微小变化非常敏感，无论是电、磁还是光。以前使用单个NV中心来探测磁场是非常精确的，但只能测量沿着与传感器轴对齐的单一维度变化。但是对于某些应用，比如通过测量每个脉冲的确切方向来绘制神经元之间的连接，测量磁场横向分量也会很有用。
图片：CC0 Public Domain
本质上，新方法通过利用氮原子核自旋提供的二次振荡器来解决这个问题。被测场的侧向分量推动次级振荡器方向。通过使其稍微偏离轴，侧向分量会引起一种抖动，这种抖动表现为与传感器对齐的磁场的周期性波动，从而将垂直分量变成叠加在主静态磁场测量上的波型。然后可以用数学方法将其转换回来，以确定侧向分量的大小。该方法在第二维和第一维中提供了同样的精度，同时仍然使用单个传感器，从而保持了其纳米级的空间分辨率。为了读出结果，研究人员使用了光学共焦显微镜，该显微镜利用了NV中心的一种特殊性质：
当暴露在绿光下时，它们会发出红光或荧光，其强度取决于它们的精确自旋状态。这些NV中心可以作为量子位发挥作用，量子位计算相当于普通计算中使用的量子位。可以从荧光中分辨出自旋态，如果它是暗的，”产生较少的荧光，“那就是‘一’状态，如果它是亮的，那就是‘零’状态。如果荧光是介于两者之间的某个数字，那么自旋状态就是介于‘0’和‘1’之间。一个简单磁罗盘的指针能告诉磁场方向，但不能告诉磁场的强度。一些现有测量磁场的设备可以做相反的事情，精确地沿着一个方向测量磁场的强度，但是它们不能说明磁场的总体方向。这种方向信息正是新探测器系统所能提供。
研究人员使用实验装置测试他们的磁传感器系统，由绿色激光照射。图片：研究人员提供
在这种新型“指南针”中，可以从荧光的亮度和亮度变化来判断它指向哪里”。主磁场由整体稳定的亮度水平表示，而敲打磁场偏离轴所引起的抖动则表现为亮度的规律性波动，这种波动类似于波，可以被精确地测量出来。这项技术一个有趣的应用是将金刚石NV中心与神经元连接起来。当细胞发出触发另一个细胞的动作电位时，系统不仅应该能够探测到它的信号强度，还应该能够探测到它的方向，从而帮助绘制连接图，并查看哪些细胞触发了哪些细胞。同样，在测试可能适合数据存储或其他应用的新磁性材料时，新系统应能详细测量材料中磁场的大小和方向。
与其他一些需要极低温度才能运行的系统不同，这种新型磁传感器系统在普通室温下也能很好地工作，这使得在不破坏生物样本情况下测试生物样本是可行的。这种新方法的技术已经可用。现在就可以做到，但需要先花些时间来校准系统。目前，该系统只提供了磁场总垂直分量的测量，而没有提供磁场的确切方向。现在只提取总横向分量，无法确定方向，但是增加三维分量可以通过引入一个附加的静态磁场作为参考点来实现。只要能校准那个参考场，就能获得关于该场方向的完整三维信息，有很多方法可以做到这一点。
研究人员用于测试其传感器系统的实验装置。传感器位于绿色框内，右侧为中心。图片：研究人员提供
以色列魏茨曼研究所(Weizmann Institute)化学物理学高级科学家阿米特·芬克勒(Amit Finkler)说：获得了对横向磁场的灵敏度与对平行磁场的直流灵敏度相当，这对实际应用来说是令人印象深刻和鼓舞人心的。正如作者在手稿中谦虚地所写，这确实是向矢量纳米级磁力测量迈出的第一步。他们的技术是否真的能应用于实际样品，如分子或凝聚态系统，还有待观察。然而，作为这项技术的潜在用户/实现者，我对此印象深刻，并鼓励我们在实验设置中采用和应用这项方案。
博科园-科学科普｜研究/来自:麻省理工学院/David L. Chandler
参考期刊文献:《物理评论快报》
博科园-传递宇宙科学之美
