Une nouvelle façon de détecter simultanément les champs magnétiques dans différentes directions

• Un nouvel outil utilise le défaut du centre Nitrogen-Vacancy dans le diamant pour détecter simultanément les champs magnétiques dans différentes directions.
• Il crée une image 3D des champs magnétiques en temps réel.
• La technologie pourrait être utilisée dans divers domaines, notamment la physique de la matière condensée et la biologie.

La détection en temps réel d'un champ magnétique vectoriel dynamique est requise dans de nombreuses applications de magnétométrie, telles que la navigation magnétique, la détection et l'imagerie de champ biomagnétique et la détection d'anomalies magnétiques.

Les magnétomètres scalaires ne sont capables de mesurer que l'amplitude du champ magnétique, tandis que les magnétomètres à projection vectorielle peuvent mesurer la projection du champ magnétique le long d'un axe particulier. Mais que faire si vous voulez mesurer des champs magnétiques dans différentes directions à la fois.

Récemment, des chercheurs de l'Université Harvard ont développé un outil capable de détecter les champs magnétiques dans presque tout, des systèmes de matière condensée aux neurones de déclenchement. Pour ce faire, l'outil utilise l'un des divers défauts ponctuels du diamant appelés centres Nitrogen-Vacancy (NV). Il est capable de détecter simultanément des champs magnétiques dans différentes directions.

Comment ça marche ?

Les chercheurs ont soumis une petite plaquette de diamant de 4 millimètres carrés à 4 signaux micro-ondes différents. Chaque signal a été configuré pour mesurer une orientation NV particulière et tramé (un bruit blanc ajouté pour diminuer la distorsion des signaux de faible amplitude) selon le modèle de modulation de fréquence spécial. Cela leur a permis d'analyser comment l'orientation NV individuelle se comportait dans différentes directions de champ magnétique.

Jusqu'à présent, il s'agissait d'un processus fastidieux et long de transition régulière entre les fréquences micro-ondes pour observer la réponse d'une seule orientation NV à la fois. Le nouvel outil représente des améliorations significatives par rapport aux méthodologies précédentes.

L'ancienne technique ne fonctionne pas pour les processus rapides comme les champs biomagnétiques générés par le déclenchement des neurones. Il ne serait pas capable de capturer toutes les informations, mais la nouvelle technique peut mesurer les champs magnétiques dans différentes directions en même temps.

Dans cette étude, les chercheurs ont collecté un flux continu de données sur le diamant alors que le champ magnétique fluctue. Le nouvel outil peut traiter ces données plus rapidement qu'il ne les collecte, permettant aux chercheurs d'observer l'amplitude et la direction d'un champ magnétique en temps réel.

Référence :APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | La Harvard Gazette

Le système est basé sur une recherche précédente qui a utilisé les centres de recherche d'azote de Diamond pour identifier les signaux neuronaux chez les vers marins. C'était juste une preuve de principe. Un système neuroscientifique efficace doit être compatible avec les neurones des mammifères, mais comme les neurones déclenchés génèrent des champs magnétiques alignés dans diverses directions, il est assez difficile de créer de tels systèmes. Cependant, l'outil nouvellement développé gère tous ces problèmes de détection magnétique des neurones.

Pourquoi ont-ils utilisé des centres de vacance d'azote ?

Pour cette tâche, les centres NV sont parfaitement disposés dans le réseau en diamant. Chaque centre NV est créé en remplaçant un atome de carbone par un atome d'azote et une lacune adjacente. Étant donné que chaque atome est lié à 4 autres atomes, il existe 4 orientations NV possibles, chacune étant sensible aux champs magnétiques orientés dans ces directions. Ainsi, on peut utiliser 4 types de centres NV pour déterminer la direction du champ magnétique.

Avec l'aimable autorisation des chercheurs 

Dans cette expérience, les chercheurs ont placé une plaquette de diamant dans un champ magnétique (produit en laboratoire) et ont projeté une lumière laser dessus, faisant briller le minéral. Lorsque les centres NV ont réagi aux altérations du champ magnétique et au modèle de modulation de fréquence unique, la luminosité du centre NV a considérablement changé.

Les chercheurs ont suivi les changements de luminosité et créé une image 3D du champ magnétique. Il est désormais possible d'observer les 4 orientations NV simultanément et de déterminer le champ magnétique en temps réel. C'est comme écouter 4 chaînes de radio différentes en même temps et elles ont toutes un sens ensemble.

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Bien qu'il s'agisse d'une petite amélioration par rapport à ce que font d'autres scientifiques, les auteurs pensent que leur technologie pourrait être utilisée dans divers domaines, notamment la physique de la matière condensée et la biologie.