さまざまな方向の磁場を同時に検出する新しい方法

• 新しいツールは、ダイヤモンドの窒素空孔中心欠陥を使用して、さまざまな方向の磁場を同時に検出します。
• 磁場の3D画像をリアルタイムで作成します。
• この技術は、物性物理学や生物学など、さまざまな分野で利用できます。

動的ベクトル磁場のリアルタイムセンシングは、磁気ナビゲーション、生体磁場の検出とイメージング、磁気異常の検出など、多くの磁力測定アプリケーションで必要とされます。

スカラー磁力計は磁場の大きさのみを測定できますが、ベクトル投影磁力計は特定の軸に沿った磁場投影を測定できます。しかし、異なる方向の磁場を一度に測定したい場合はどうでしょうか。

最近、ハーバード大学の研究者は、物性物理学から発火ニューロンまで、ほとんどすべての磁場を感知できるツールを開発しました。これを行うために、ツールは、窒素空孔（NV）中心と呼ばれるダイヤモンドのさまざまな点欠陥の1つを使用します。異なる方向の磁場を同時に検出することができます。

どのように機能しますか？

研究者たちは、4ミリメートル四方の小さなダイヤモンドウェーハに4つの異なるマイクロ波信号を照射しました。各信号は、特定のNV方向を測定するように構成され、特別な周波数変調パターンに従ってディザリングされます（低振幅信号の歪みを減らすためにホワイトノイズが追加されます）。これにより、個々のNVの向きがさまざまな磁場方向でどのように動作するかを分析することができました。

これまで、これは、マイクロ波周波数間を定期的に移行して、一度に1つのNV方向の応答を観察するという、面倒で時間のかかるプロセスでした。新しいツールは、以前の方法論に比べて大幅な改善を表しています。

古い手法は、ニューロンの発火によって生成される生体磁場のような高速プロセスでは機能しません。すべての情報を取得することはできませんが、新しい手法ではさまざまな方向の磁場を同時に測定できます。

この研究では、磁場が変動しているときに、研究者はダイヤモンドからデータの連続ストリームを収集しました。新しいツールは、このデータを収集するよりも速く処理できるため、研究者は磁場の振幅と方向をリアルタイムで観察できます。

参照：APSPhysics | doi：10.1103 / PhysRevApplied.10.034044 |ハーバードガゼット

このシステムは、ダイヤモンドの窒素空孔センターを使用して海洋ワームの神経信号を特定した以前の研究に基づいて構築されています。それは単なる原則の証明でした。効果的な神経科学システムは哺乳類のニューロンと互換性がなければなりませんが、発火するニューロンはさまざまな方向に整列した磁場を生成するため、そのようなシステムを作成することは非常に困難です。ただし、新しく開発されたツールは、ニューロンの磁気センシングのこれらすべての問題を処理します。

なぜ彼らは窒素空孔センターを使用したのですか？

このタスクでは、NVセンターはダイヤモンド格子に完全に配置されます。各NVセンターは、1つの炭素原子を窒素原子と隣接する空孔に置き換えることによって作成されます。各原子は他の4つの原子にリンクされているため、4つの可能なNV配向があり、それぞれがその方向に配向された磁場に敏感です。したがって、4種類のNVセンターを使用して、磁場の方向を決定できます。

研究者の礼儀

この実験では、研究者はダイヤモンドのウェーハを磁場（ラボで生成）に置き、その上にレーザー光を投射して、鉱物を輝かせました。 NVセンターが磁場の変化と独自の周波数変調パターンに反応すると、NVセンターの明るさが大幅に変化しました。

研究者は明るさの変化を追跡し、磁場の3D画像を作成しました。これで、4つのNV方向すべてを同時に観察し、リアルタイムで磁場を決定することができます。これは、4つの異なるラジオチャンネルを同時に聞くようなもので、すべて一緒に意味があります。

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他の科学者が行っていることのわずかな改善ですが、著者は、彼らの技術が物性物理学や生物学を含むさまざまな分野で利用できると信じています。