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

Stel je een wereld voor waarin we de onzichtbare krachten kunnen zien die onze technologie vormgeven. Magnetische velden zijn overal aanwezig en sturen alles aan, van het kompas in een smartphone tot de datastromen in een computerchip, maar ze blijven verborgen voor het menselijk oog. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een manier om deze velden met extreme precisie in kaart te brengen, tot op de schaal van een enkele cel of een minuscuul circuit. De uitdaging was het vinden van een sensor die klein genoeg is om in deze nauwe ruimtes te passen, maar gevoelig genoeg om de zwakste fluisteringen van magnetisme op te vangen. Hoewel wetenschappers al lang kleine defecten in diamant hiervoor gebruiken, heeft zich een nieuwe grens geopend in een ander materiaal: een laag boornitride, een substantie zo dun als een enkele laag atomen. Dit materiaal bevat een bijzonder soort imperfectie, een ontbrekend atoom dat fungeert als een kleine, lichtgevoelige magnetometer, in staat om het magnetische landschap met ongekende helderheid te onthullen.

In een recente studie probeerden onderzoekers te bewijzen dat deze boornitride-sensoren meer konden dan alleen een magnetisch veld detecteren; ze wilden zien of ze veranderingen in realtime konden volgen om een volledig driedimensionaal beeld van een magnetisch object te bouwen. Het team richtte zich op een specif으로 type defect in hexagonaal boornitride, een tweedimensionaal materiaal dat bekend staat om zijn sterkte en stabiliteit. Deze defecten, die ontstaan wanneer een booratoom uit het kristalrooster ontbreekt, hebben een unieke eigenschap: ze gloeien met een specifieke kleur wanneer ze worden geraakt door een laser, en de helderheid van die gloed verandert afhankelijk van de magnetische omgeving om hen heen. Door een laser op deze punten te schijnen en te luisteren naar een specifiek radiofrequentiesignaal dat de gloed doet dimmen, kunnen wetenschappers de exacte sterkte van het magnetische veld op dat punt bepalen. Deze methode, bekend als optisch gedetecteerde magnetische resonantie, is eerder gebruikt, maar was berucht traag. Om een gedetailleerde kaart van een klein gebied te maken, vereisten eerdere methoden urenlang staren naar hetzelfde punt, waarbij data pixel voor pixel werd verzameld, wat het onmogelijk maakte om te zien hoe het veld snel veranderde of om efficiënt een 3D-model te bouwen.

De onderzoekers besloten het spel te veranderen door te stoppen met het trage, statische scannen en te beginnen met een dynamisch volgproces. In plaats van bij elk punt een snapshot van het volledige magnetische spectrum te nemen, stemden ze hun systeem af om slechts één specifieke frequentie te volgen die verschuift naarmate het magnetische veld verandert. Het is alsof je een radio afstemt op één specifieke zender en luistert naar de ruis om te weten hoe ver je van de uitzendmast bent, in plaats van elke seconde de hele schaal af te zoeken. Door vast te houden aan deze frequentie en te kijken hoe deze in realtime beweegt, kon het team het magnetische veld continu monitoren. Ze pasten deze techniek toe op een kleine, kegelvormige magnetische punt, een stuk staaldraad dat is geslepen tot een punt van slechts enkele micrometers breed. Deze punt werd rond een monster van de boornitride-sensor bewogen, die perfect stil bleef liggen. Terwijl de punt omhoog, omlaag en rondom bewoog, volgde de sensor het verschuivende magnetische veld, waardoor het team een volledig driedimensionale kaart kon reconstrueren van de magnetische kracht die uit de scherpe punt van de tip kwam.

De resultaten waren een significante sprong voorwaarts in snelheid en detail. Terwijl traditionele methoden er tien uur of meer over zouden doen om een gebied ter grootte van een korrel zand in kaart te brengen, voltooide deze nieuwe aanpak dezelfde taak in slechts enkele minuten. Het team slaagde erin een gedetailleerde 3D-kaart van het magnetische veld te maken, die liet zien hoe de kracht zich vanuit de top van de punt verspreidde. Ze maten de veldsterkte met een gevoeligheid van 54 microtesla per wortel uit hertz, een precisieniveau dat alleen wordt beperkt door de fundamentele ruis van het licht zelf. Ze maten ook hoe snel het magnetische veld veranderde over afstand, en vonden gradiënten van 3,6 microtesla per nanometer, en volgden veldveranderingen die plaatsvonden met een snelheid van 6 millitesla per seconde. De beelden die ze produceerden toonden de verwachte circulaire patronen van het magnetische veld, waarbij de intensiteit sterker werd naarmate ze dichter bij het puntje van de tip kwamen. De gegevens kwamen overeen met computermodellen van een ideale kegel, wat bevestigde dat de sensor de complexe vorm van het magnetische veld nauwkeurig vastlegde, zelfs met de lichte onregelmatigheden van de echte metalen punt.

Dit werk demonstreert dat boornitride-sensoren niet slechts een theoretische curiositeit zijn, maar een praktisch hulpmiddel voor snelle, hoog-resolutie magnetische beeldvorming. Het vermogen om over te schakelen van trage, statische metingen naar realtime tracking betekent dat wetenschappers nu magnetische verschijnselen kunnen observeren terwijl ze gebeuren, in plaats van alleen een bevroren gemiddelde te zien. De studie toonde aan dat door de positie van het magnetische monster relatief aan de sensor te controleren, het mogelijk is om 3D-kaarten te bouwen met een resolutie die alleen wordt beperkt door de diffractie van licht, wat het kleinste detail is dat een standaard optische microscoop kan zien. De onderzoekers merkten op dat hoewel het contrast van het signaal lager was dan dat van diamant-sensoren, de hoge snelheid van lichtemissie van de boornitride-defecten dit compenseerde, waardoor snelle gegevensverzameling mogelijk was zonder de sensor te oververhitten. Deze aanpak opent de deur naar het in kaart brengen van magnetische velden in microcircuits, het bestuderen van magnetische nanopartikels en potentieel het beeldvormen van de magnetische eigenschappen van biologische monsters met een snelheid en precisie die voorheen onbereikbaar waren. De studie concludeert dat deze frequentie-volgmethode een levensvatbare en snelle manier is om de onzichtbare magnetische wereld te visualiseren, waarbij de tijd die nodig is voor beeldvorming met minstens tien keer wordt verminderd vergeleken met conventionele technieken.