金刚石粉尘可实现低成本 高效率的磁场检测

加州大学伯克利分校的工程师们创造了一种能够显着降低为磁场探测器供电所需能量的设备，这可以彻底改变我们测量流经电子设备，地球乃至我们身体的磁场的方式。

“今天最好的磁传感器体积庞大，只能在极端温度下工作，可能要花费数万美元，”Dominic Labanowski说道，他帮助创造了这种由注入氮气的钻石制成的设备，作为博士后研究人员在电气工程和计算机科学系。“我们的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。”

每次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，以使它们对磁场敏感，这足以熔化电子元件。研究人员发现了一种利用微波激发微小钻石的新方法，其功耗降低了1000倍，因此可以创建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实验室与俄亥俄州立大学的研究人员合作领导。该团队于9月7日在Science Advances杂志上在线报告他们的设备。

瑕疵钻石

用氮气射流轰击钻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 - 称为氮空位(NV)中心 - 具有科学家们所熟知的独特性质。

“你可以将这些NV中心用作非常强大的传感器，但传统上它们的应用受到限制，因为它需要很大的功率才能读取它们，”Labanowski说。

为了检测磁场，科学家首先必须使用高功率微波辐射击中NV中心，相当于标准微波功率的约百分之一，或普通手机功耗的十倍。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，研究人员将金刚石纳米晶体 - 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说。

在身体内部和地球下成像

磁传感器的医学应用包括使用磁场测量脑电波的脑磁图，或使用磁场对心脏功能进行成像的心磁图。目前这些机器的大小相当于一个小房间，可能花费超过300万美元。

Labanowski表示，“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将它变成类似头盔的东西，大大减小尺寸和成本。”

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。

Salahuddin说，磁场检测只是NV中心的一个应用。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。

“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，包括量子计算在内的更广泛的应用领域，”Salahuddin说。