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激光阈值磁力计有望提供灵敏的磁传感器,惠及医疗健康和疾病检测

2022-06-20 09:29:22 1510

据外媒报道,弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(Fraunhofer IAF)在激光阈值磁力计(LTM)研发方面取得了里程碑式的成果,首次测量了与磁场相关的受激辐射。该研究成果已发表于近期的 Science Advances 期刊,研究表明LTM背后所蕴藏的原理将有助于开发应用于医疗健康和疾病检测领域的高灵敏磁场传感器。Fraunhofer IAF的项目经理Jan Jeske表示:“我们的目标是开发一种极其灵敏的磁场传感器,它能够在室温以及存在背景场的情况下工作,从而将惠及临床应用。”


这项突破源自2018年成立的DiLaMag项目,该项目旨在研究对生物医学和临床任务具备足够敏感度的磁传感器能否比现有平台展现更高的经济效益和简易性,因为现有平台通常需要对传感器进行极端冷却。DiLaMag项目旨在使用含有高氮空位(NV)中心的金刚石作为激光介质。众所周知,NV中心会吸收绿光并发出红光,其亮度则会受外部磁场强度的影响。由于NV中心非常小,这种效应在理论上可以探测到具有高空间分辨率和灵敏度的磁场。

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研究表明LTM背后所蕴藏的原理将有助于开发应用于医疗健康和疾病检测领域的高灵敏磁场传感器(图源:Fraunhofer IAF)

当Jeske和Fraunhofer IAF启动该项目时,他们预测激光阈值磁力计的灵敏度或能比现有的NV系列产品高出两到三个数量级,并且可以媲美最先进的超导量子干涉仪(SQUID)。据Fraunhofer IAF称,新的研究结果首次证明了磁场相关的受激发射。



大幅提高灵敏度


该项目使用NV金刚石作为激光介质,通过受激发射实现了64%的信号功率放大。据悉,与磁场相关的受激辐射显示出33%的对比度,而最大输出功率达到了毫瓦(mW)级。同时,该研究项目还在NV金刚石中观察到一种有价值且以往未知的物理过程—即绿光激光照射引发的红光吸收。

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测量结果显示,与磁场相关的受激辐射显示出33%的对比度。(图源:Fraunhofer IAF)


Jeske表示:“受激辐射是造成这种情况的原因,我们能够证明该记录是无法通过自发辐射实现的。因此,我们首次通过实验证明了激光阈值磁力计的理论原理。”通常情况下,制造具有适当高密度的NV中心和所需光学特性的金刚石本身就是一项挑战。对此,DiLaMag项目研究了通过化学气相沉积(CVD)和后处理(电子辐照以及温度处理)等手段来生产金刚石,以提高NV密度。


该项目利用吸收光谱监测金刚石生产过程中NV中心的形成,从而建立了NV密度、使用高通量辐照替代氮的转化,以及电荷稳定性之间的相关性。Fraunhofer IAF的研究结果证实,生产具有高密度NV中心和高质量的CVD金刚石的技术是可行的,这是开发用于测量极小磁场的基于金刚石的激光阈值磁力计的先决条件。


该研究项目在论文中评论道:“NV中心的相干读出数值为量子缺陷和金刚石NV磁场传感器的新型腔和激光应用铺平了道路,显著提高了这类传感器在医疗健康、科研和采矿领域的应用灵敏度。”



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