Real-time ESR tracking for sub-micron 3D magnetic mapping with VB- quantum sensors in hexagonal boron nitride

تخيل عالماً يمكننا فيه رؤية القوى الخفية التي تشكل تقنياتنا. المجالات المغناطيسية موجودة في كل مكان، توجه كل شيء بدءاً من البوصلة في الهاتف الذكي وصولاً إلى تدفقات البيانات في شريحة الكمبيوتر، ومع ذلك تظل خفية عن العين البشرية. لعقود من الزمن، سعى العلماء لإيجاد وسيلة لرسم خرائط هذه المجالات بدقة متناهية، وصولاً إلى مقياس الخلية الواحدة أو الدائرة الصغيرة جداً. كان التحدي يكمن في إيجاد مستشعر صغير بما يكفي ليتناسب مع هذه المساحات الضيقة، ولكنه حساس بما يكفي لاكتشاف أضعف همسات المغناطيسية. وبينما استخدم العلماء منذ فترة طويلة العيوب الصغيرة في الألماس لهذا الغ purpose، فُتحت آفاق جديدة في مادة مختلفة: ورقة من نيتريد البورون، وهي مادة رقيقة بقدر طبقة واحدة من الذرات. تحمل هذه المادة نوعاً خاصاً من العيوب، وهو ذرة مفقودة تعمل كمقياس مغناطيسي صغير وحساس للضوة، قادر على كشف المشهد المغناطيسي بوضوح غير مسبوق.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لإثبات أن مستشعرات نيتريد البورون يمكنها فعل ما هو أكثر من مجرد اكتشاف المجال المغناطيسي؛ فقد أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم تتبع التغييرات في الوقت الفعلي لبناء صورة ثلاثية الأبعاد كاملة لجسم مغناطيسي. ركز الفريق على نوع محدد من العيوب في نيتريد البورون السداسي، وهي مادة ثنائية الأبعاد معروفة بقوتها واستقرارها. هذه العيوب، التي تتكون عندما تُفقد ذرة بورون من الشبكة البلورية، تمتلك خاصية فريدة: فهي تتوهج بلون محدد عند تعرضها لليزر، ويتغير سطوع هذا التوهج اعتماداً على البيئة المغناطيسية المحيطة بها. ومن خلال تسليط الليزر على هذه النقاط والاستماع إلى إشارة تردد راديوي محددة تجعل التوهج يخفت، يمكن للعلماء تحديد القوة الدقيقة للمجال المغناطيسي عند تلك النقطة. هذه الطريقة، المعروفة باسم الرنين المغناطيسي المكتشف بصرياً، استُخدمت من قبل، لكنها كانت بطيئة بشكل ملحوظ. فمن أجل إنشاء خريطة مفصلة لمنطقة صغيرة، تطلبت الطرق السابقة ساعات من التحديق في نفس البقعة، وجمع البيانات بكسل تلو الآخر، مما جعل من المستحيل رؤية كيفية تغير المجال بسرعة أو بناء نموذج ثلاثي الأبعاد بكفاءة.

قرر الباحثون تغيير قواعد اللعبة عبر التوقف عن المسح الثابت البطيء والبدء في عملية تتبع ديناميكية. فبدلاً من أخذ لقطة للطيف المغناطيسي بأكمُله عند كل نقطة، قاموا بضبط نظامهم ليتتبع تردداً واحداً محدداً يتغير مع تغير المجال المغناطيسي. الأمر يشبه ضبط راديو على محطة واحدة والاستماع إلى التشويش لمعرفة مدى بعدك عن برج البث، بدلاً من مسح كامل نطاق التردد في كل ثانية. ومن خلال التركيز على هذا التردد ومراقبة حركته في الوقت الفعلي، تمكن الفريق من مراقبة المجال المغناطيسي باستمرار. وقد طبقوا هذه التقنية على طرف مغناطيسي صغير على شكل مخروط، وهو عبارة عن سلك فولاذي تم شحذه ليكون عرضه بضعة ميكرومترات فقط. تم تحريك هذا الطرف حول عينة من مستشعر نيتريد البورون، الذي ظل ثابتاً تماماً. ومع تحرك الطرف صعوداً وهبوطاً وحول المركز، تتبع المستشعر المجال المغناطيسي المتغير، مما سمح للفريق بإعادة بناء خريطة ثلاثية الأبعاد كاملة للقوة المغناطيسية المنبعثة من رأس الطرف الحاد.

كانت النتائج قفزة نوعية في السرعة والتفاصيل. فبينما قد تستغرق الطرق التقليدية عشر ساعات أو أكثر لرسم خريطة لمنطقة بحجم حبة الرمل، أتم هذا النهج الجديد المهمة نفسها في دقائق معدودة. نجح الفريق في إنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد مفصلة، توضح كيفية انتشار القوة من رأس الطرف. وقاسوا قوة المجال بحساسية بلغت 54 ميكرو تسلا لكل جذر هرتز، وهو مستوى من الدقة لا يحده سوى الضجيج الأساسي للضوء نفسه. كما قاسوا سرعة تغير المجال المغناطيسي مع المسافة، حيث وجدوا تدرجات بلغت 3.6 ميكرو تسلا لكل نانومتر، وتتبعوا تغيرات المجال التي تحدث بمعدل 6 مللي تسلا في الثانية. وأظهرت الصور التي أنتجوها الأنماط الدائرية المتوقعة للمجال المغناطيسي، مع زيادة الكثافة كلما اقتربوا من نقطة رأس الطرف. وطابقت البيانات عمليات المحاكاة الحاسوبية لمخروط مثالي، مما أكد أن المستشعر يلتقط بدقة الشكل المعقد للمجال المغناطيسي، حتى مع وجود بعض العيوب الطفيفة في رأس المعدن الحقيقي.

يبرهن هذا العمل على أن مستشعرات نيتريد البورون ليست مجرد فضول نظري، بل هي أداة عملية للتصوير المغناطيسي السريع عالي الدقة. إن القدرة على الانتقال من القياسات الثابتة البطيئة إلى التتبع في الوقت الفعلي تعني أنه يمكن للعلماء الآن مراقبة الظواهر المغناطيسية أثناء حدوثها، بدلاً من مجرد رؤية متوسط ثابت. وقد أظهرت الدراسة أنه من خلال التحكم في موقع العينة المغناطيسية بالنسبة للمستشعر، من الممكن بناء خرائط ثلاثية الأبعاد بدقة لا يحدها سوى حيود الضوء، وهو أصغر تفصيل يمكن للمجهر البصري القياسي رؤيته. وأشار الباحثون إلى أنه على الرغم من أن تباين الإشارة كان أقل من مستشعرات الألماس، إلا أن المعدل العالي لانبعاث الضوء من عيوب نيتريد البورون قد عوض ذلك، مما سمح بجمع البيانات بسرعة دون ارتفاع درجة حرارة المستشعر. يفتح هذا النهج الباب لرسم خرائط المجالات المغناطيسية في الدوائر الدقيقة، ودراسة الجسيمات المغناطيسية النانوية، وربما تصوير الخصائص المغناطيسية للعينات البيولوجية بسرعة ودقة لم يكن الوصول إليها ممكناً من قبل. وتخلص الدراسة إلى أن طريقة تتبع التردد هذه هي وسيلة فعالة وسريعة لتصور العالم المغناطيسي الخفي، مما يقلل الوقت اللازم للتصوير بمقدار عشرة أضعاف على الأقل مقارنة بالتقنيات التقليدية.