Simultaneous Determination of Local Magnetic Fields and Sensor Orientation with Nitrogen-Vacancy Centers in Nanodiamond

Stel je een wereld voor waarin de kleinste deeltjes materie kunnen fungeren als minuscule, onzichtbare kompassen, in staat om magnetische krachten te voelen met een precisie die die van de meest geavanceerde laboratoriumapparatuur evenaart. Dit is het domein van quantum-sensing, een veld dat de vreemde regels van de subatomaire wereld gebruikt om zaken zoals magnetische velden, temperatuur en elektrische ladingen te meten op een schaal die voorheen onmogelijk werd geacht. In het hart van deze technologie staan stikstof-vacaturecentra, wat in essentie kleine defecten in een diamantkristal zijn waar een koolstofatoom ontbreeft en is vervangen door een stikstofatoom naast een lege plek. Deze defecten gedragen zich als microscopische magneten die oplichten met een specifieke kleur licht wanneer ze interageren met hun omgeving. Door te bestuderen hoe dit licht verandert, kunnen wetenschappers het magnetische milieu rond de diamant met ongelooflijk detail in kaart brengen. Echter, om deze sensoren in reële situaties te laten werken, zoals in een levende cel, worden ze geconfronteerd met een grote hindernis: ze zijn vaak willekeurig verspreid. Wanneer een diamantdeeltje in een vloeistof tuimelt, wijzen zijn interne magnetische assen in onbekende richtingen, wat het bijna onmogelijk maakt om te bepalen of een verandering in het licht komt door een nieuw magnetisch veld of simpelweg omdat het deeltje is gedraaid.

Een team van onderzoekers heeft nu dit langlopende vraagstuk opgelost door een methode te ontwikkelen waarmee zowel de oriëntatie van deze diamantdeeltjes als het magnetische veld dat ze waarnemen, gelijktijdig bepaald kan worden. In een onlangs gepubliceerde studie toonden de wetenschappers aan dat ze, door een reeks zorgvuldig gekozen externe magnetische velden toe te passen, de twee variabelen die voorheen aan elkaar vastzaten, wiskundig uit elkaar konden trekken. De kern van hun ontdekking is dat een minimum van vier verschillende magnetische veldconfiguraties vereist is om zowel de richting waarin het diamantdeeltje wijst als de sterkte en richting van het lokale magnetische veld dat het meet, uniek te bepalen. Vóór dit werk gingen wetenschappers over het algemeen ervan uit dat ze de oriëntatie van het deeltje moesten kennen om het veld te meten, of dat ze het veld moesten kennen om de oriëntatie te vinden. Deze nieuwe aanpak doorbreekt deze cyclus, waardoor een volledige reconstructie van de omgeving mogelijk is zonder voorafgaande kennis van een van beide factoren.

De onderzoekers testten hun theorie in twee zeer verschillende omgevingen om te verzekeren dat het in de praktijk stand zou houden. Eerst gebruikten ze een groot, massief blok diamant waarvan de interne structuur al bekend was, dienend als een gecontroleerd bewijs van concept. In deze omgeving pasten ze vierentwintig verschillende magnetische velden toe en gebruikten ze het door de defecten uitgezonden licht om het lokale magnetische veld te berekenen. De resultaten waren opvallend nauwkeurig; ze reconstrueerden de bekende oriëntatie van de diamantassen met een afwijking van minder dan een halve graad en maten het lokale magnetische veld tot op enkele microtesla nauwkeurig, een precisie die overeenkwam met het natuurlijke magnetische veld van de aarde in hun laboratorium. Dit bevestigde dat hun wiskundige kader perfect werkte wanneer de variabelen stabiel waren en het signaal duidelijk.

Vervolgens verplaatste het team zich naar een veel uitdagender scenario dat de werkelijke toepassingen nabootst: individuele nanodiamanten, die minuscule deeltjes zijn van ongeveer 750 nanometer in diameter. In tegenstelling tot het massieve blok zijn deze deeltjes verspreid en zijn hun interne assen volledig onbekend. Bovendien is het lichtsignaal van deze kleine deeltjes veel ruiziger en breder dan dat van het grote kristal, waardoor de gegevens moeilijker af te lezen zijn. Ondanks deze moeilijkheden pasten de onderzoekers vierendertig verschillende magnetische velden toe op de nanodiamanten en slaagden ze erin zowel de oriëntatie van de deeltjes als het lokale magnetische veld rondom hen te reconstrueren. Hoewel de metingen iets minder precies waren dan bij het grote kristal, met een onzekerheid van ongeveer vijftig microtesla, bewees de methode robuust genoeg te zijn om de ruis en willekeur van de kleine sensoren te weerstaan. Het team merkte op dat het gebruik van meer dan vier magnetische velden hielp de nauwkeurigheid te verbeteren, maar zelfs met een klein aantal metingen kon het systeem de richting van het deeltje betrouwbaar onderscheiden van het magnetische veld dat het waarnam.

Om de grenzen van deze techniek te begrijpen, voerden de wetenschappers ook computersimulaties uit om te zien hoe ruis en de sterkte van de magnetische velden de resultaten beïnvloedden. Ze ontdekten dat de nauwkeurigheid van de oriëntatiemeting aanzienlijk verbeterde wanneer er sterkere magnetische velden werden gebruikt, omdat dit het signaal duidelijker maakte tegen de achtergrondruis. De nauwkeurigheid van de meting van het lokale magnetische veld verbeterde echter niet evenredig met sterkere velden zodra een bepaalde drempel was bereikt, omdat de fout dan werd gedomineerd door de inherente ruis in het lichtsignaal zelf. Deze simulaties bevestigden dat hoewel de methode krachtig is, de uiteindelijke precisie verbonden is aan de kwaliteit van de diamantsensor en de helderheid van het uitgezonden licht. De studie suggereert dat voor de beste resultaten toekomstige sensoren gemaakt moeten worden van ultrazuivere diamanten die interne interferentie minimaliseren, zodat de techniek haar volledige potentieel kan bereiken.

Dit werk vormt een belangrijke stap vooruit voor het gebied van nanoscale-sensing. Door de noodzaak weg te nemen om de oriëntatie van de sensor vooraf te kennen, hebben de onderzoekers de mogelijkheid ontsloten om deze diamantdeeltjes te gebruiken in complexe, dynamische omgevingen waar zaken voortdurend in beweging zijn en veranderen. Dit opent de deur naar nieuwe toepassingen, zoals het volgen van magnetische handtekeningen binnen levende biologische systemen of het diagnosticeren van magnetische eigenschappen in geavanceerde materialen, zonder de noodzaak van complexe kalibratiestappen die voorheen vereist waren. Het vermogen om zowel de kaart als het kompas tegelijkertijd te zien, transformeert deze kleine diamanten van eenvoudige sensoren tot krachtige instrumenten voor het verkennen van de onzichtbare krachten die onze wereld vormgeven.