Rapid and high-sensitive NV-based microwave field imaging via digital lock-in amplification for on-chip microstrip diagnostics
تقدم هذه الورقة تقنية تصوير ميكروويف واسعة المجال، سريعة وعالية الحساسية، باستخدام مراكز النيتروجين-فراغ في الألماس مدمجة مع تضخيم القفل الرقمي، محققة حساسية للمجال المغناطيسي تبلغ 126 نانو تسلا/ ودقة على المقياس الميكروني تتيح تشخيصات شبه فورية وغير تدميرية للأجهزة الموجودة على الرقاقة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في العالم غير المرئي للإلكترونيات الحديثة، تحمل موجات الراديو والميكروويف البيانات التي تشغل هواتفنا، والإنترنت، والمستشعرات في سياراتنا. تنتقل هذه الإشارات عبر دوائر دقيقة محفورة على رقائق السيليكون، وتتحرك بسرعات مذهلة. ومع ذلك، مع صغر حجم هذه الأجهزة وزيادة تعقيدها، يواجه المهندسون مشكلة صعبة: كيف يمكنك رؤية ما يحدث داخل دائرة دون لمسها أو إيقاف عملها؟ غالبًا ما تعجز الأدوات التقليدية عن الاقتراب بما يكفي لرؤية التفاصيل الدقيقة، أو أنها تتداخل مع الإشارات الحساسة التي تحاول قياسها. ولحل هذه المشكلة، لجأ العلماء إلى مادة فريدة: الماس. داخل الماس، توجد عيوب صغيرة تسمى مراكز "نيتروجين-فجوة" (nitrogen-vacancy centers). وهي عبارة عن نقاط حيث يغيب فيها ذرة كربون ويحل محلها ذرة نيتروجين، مما يخلق عيبًا يعمل كمستشعر مجهري. عندما تُضرب هذه العيوب بليزر أخضر، فإنها تتوهج بضوء أحمر. والأهم من ذلك أن سطوع هذا التوهج يتغير اعتمادًا على قوة المجالات المغناطيسية المحيطة بها. وهذا يسمح للباحثين باستخدام الماس ككاميرا يمكنها "رؤية" المجالات المغناطيسية بدقة متناهية، كل ذلك بينما يستقر الماس بأمان فوق الجهاز الإلكتروني.
لقد دمج فريق من الباحثين الآن تقنية استشعار الماس هذه مع تقنية معالجة إشارات ذكية لابتكار طريقة جديدة لتصوير هذه المجالات غير المرئية. كان هدفهم هو التغلب على عقبة رئيسية أبطأت المحاولات السابقة: الضجيج. في تجربة نموذجية، غالبًا ما يطغى الوميض الناتج عن الليزر أو الضجيج الإلكتروني للكاميرا على التغيرات الطفيفة في الضوء الناتجة عن المجالات المغرناطيسية. ولإصلاح ذلك، طور الباحثون نظامًا يستخدم طريقة تسمى "التضخيم الرقمي للقفل" (digital lock-in amplification). تخيل أنك تحاول سماع محادثة محددة في غرفة مزدحمة وصاخبة؛ إذا كنت تعرف بالضبط متى سيتحدث الشخص الذي تستمع إليه، فيمكنك ضبط أذنك على ذلك الإيقاع المحدد وتجاهل بقية الضجيج. فعل الباحثون شيئًا مشابهًا بالضوء؛ فقد أخذوا إشارة الميكروويف التي أرادوا قياسها وأضافوا إليها "تذبذبًا" إيقاعيًا لطيفًا في ترددها. وعندما تفاعل هذا الإيقاع مع مستشعرات الماس، تسبب في جعل التوهج الأحمر ينبض بتزامن تام مع ذلك الإيقاع. ومن خلال استخدام برنامج حاسوبي مخصص للبحث فقط عن الضوء الذي ينبض بهذا السرعة المحددة، تمكنوا من تصفية جميع الضوضاء الخلفية العشوائية. سمح لهم ذلك باستخراج إشارة واضحة من لقطة واحدة، بدلاً من الحاجة إلى التقاط آلاف الصور ودمجها معًا.
النتيجة هي نظام أسرع وأكثر حساسية بشكل كبير مما سبقه. بنى الباحثون إعداد مجهر حيث توضع شريحة رقيقة من الماس مباشرة فوق دائرة "microstrip"، وهي نوع شائع من الهوائيات الصغيرة المستخدمة في الإلكترونيات. سلطوا ليزرًا أخضر عبر الماس لإثارة المستشعرات، والتقطت كاميرا عالية السرعة الضوء الأحمر الناتج. ولأن نظام القفل الرقمي الخاص بهم استطاع عزل الإشارة بفعالية كبيرة، فقد حققوا حساسية للمجال المغناطيسي بلغت 126 نانوتسلا لكل جذر هرتز. والأهم من ذلك، سمحت هذه السرعة بالتقاط صورة كاملة للمجال المغناطيسي في ثوانٍ معدودة. كانت الطرق السابقة التي تستخدم مستشعرات ماس مماثلة تستغرق دقائق أو حتى ساعات لبناء صورة واضحة لأنها كانت بحاجة لانتظار تلاشي الضجيج عبر المتوسط الحسابي. ومع هذا النهج الجديد، استطاع الفريق مراقبة المجالات المغناطيسية في الوقت الفعلي. وقد أثبتوا ذلك من خلال تصوير المجالات المغناطيسية فوق خط "microstrip" يعمل، موضحين كيف تتغير قوة المجال مع زيادة طاقة إشارة الميكروويف. كما اختبروا طريقة مختلفة حيث استخدموا هوائي قرني (horn antenna) لبث إشارة الميكروويف على الدائرة من مسافة، مما أثبت أن النظام يعمل حتى بدون اتصالات كهربائية مباشرة.
ولإثبات دقة صورهم، قارن الفريق بين صورهم التجريبية والمحاكاة الحاسوبية لنفس الدوائر. تطابقت الأنماط عن كثب، مما أكد أن مستشعرات الماس كانت ترسم الخريطة المغناطيسية بشكل صحيح. كما دفعوا النظام للعمل عند ترددات مختلفة، وتحديدًا 2.73 جيجاهرتز و3.0 جيجاهرتز، عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي صغير على الماس لضبط حساسيته. أظهرت الصور بوضوح أن النظام يمكنه اكتشاف المجالات عند هذه الترددات المختلفة، رغم أن الإشارة كانت أقوى عند أحد الترددين مقارنة بالآخر. وأخيرًا، اختبروا القيمة العملية لهذه الأداة من خلال البحث عن أعطال في مفتاح تردد راديوي حقيقي. لقد تعمدوا خدش جزء من الدائرة لإحداث قطع في الخط، مما يؤدي إلى توقف تدفق المجال المغناطيسي عبر تلك النقطة. وعندما صوروا الجهاز، ظهرت المنطقة المقطوعة كفراغ مظلم حيث اختفت الإشارة المغناطيسية، بينما توهجت الأجزاء السليمة بسطوع. أظهر هذا أن التقنية يمكنها رصد العيوب في المكونات الإلكترونية فورًا دون إتلافها. حقق الباحثون دقة مكانية بلغت 1.6 ميكرومتر، مما يعني أنه يمكنهم رؤية تفاصيل أصغر من عرض شعرة الإنسان، كل ذلك مع مسح الشريحة بأكملها في ثوانٍ. يضع هذا العمل أداة قوية جديدة في يد المهندسين، تقدم طريقة لرؤية ما بداخل عالم الإلكترونيات عالية السرعة غير المرئي بوضوح وسرعة كانا بعيدي المنال سابقًا.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.