Công nghệ
Máy đo từ trường trung tâm NV là một thiết bị đo từ trường lượng tử có độ nhạy cao, nhỏ gọn và bền chắc. Khả năng độc đáo của các cảm biến này có thể dẫn đến những ứng dụng mạnh mẽ và mang tính cách mạng.
Máy dò từ trường của trung tâm NV đo từ trường bằng cách sử dụng các electron bị giữ lại bên trong những viên kim cương nhỏ. Điều này tận dụng các nguyên lý của từ tính lượng tử, một thuộc tính độc đáo của một số hạt cơ bản như electron. Từ tính lượng tử cơ học này được gọi là "spin".
Để tạo ra từ kế tâm NV, các nhà khoa học bắt đầu bằng cách tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể carbon được phân bố đều. Mật độ của các khuyết tật này và thành phần hóa học tạo nên màu sắc độc đáo của chúng. Những khuyết tật này thường được gọi là "tâm màu". "Khoảng trống nitơ" hay tâm NV là một khuyết tật bao gồm một nguyên tử nitơ thay thế một nguyên tử carbon trong cấu trúc kim cương, và một khoảng trống liền kề nơi thiếu một nguyên tử carbon.
Spin của electron trong tâm NV có thể tồn tại ở nhiều trạng thái năng lượng lượng tử khác nhau, tương tự như các mức năng lượng lượng tử của electron trong nguyên tử. Sự khác biệt năng lượng giữa hai trạng thái spin bất kỳ phụ thuộc vào độ lớn và hướng của từ trường mà viên kim cương nằm trong đó. Độ nhạy cảm với từ trường này cho phép tâm NV hoạt động như một cảm biến từ tính.
Để thực hiện phép đo, các nhà khoa học đặt một viên kim cương có khuyết tật ở tâm NV (xoáy tự nhiên) vào một từ trường mong muốn. Sau đó, họ chiếu ánh sáng xanh lục lên viên kim cương. Ánh sáng này khiến tâm NV chuyển sang trạng thái spin lượng tử cụ thể, dẫn đến việc nó phát ra ánh sáng đỏ, mà các nhà khoa học đo bằng máy dò quang.
Tiếp theo, các nhà khoa học áp dụng năng lượng vi sóng với các tần số khác nhau vào spin của NV zero. Khi năng lượng vi sóng khớp với dải năng lượng giữa các trạng thái spin, NV zero hấp thụ năng lượng đó và thay đổi trạng thái spin của nó. Sự thay đổi trạng thái spin này làm giảm lượng ánh sáng đỏ phát ra từ NV zero. Bằng cách đo năng lượng vi sóng gây ra sự thay đổi trạng thái spin của NV zero, được gọi là tần số chuyển tiếp, các nhà khoa học có thể xác định từ trường.
Có thể chế tạo một bộ dò từ trường dựa trên tâm NV bằng cách sử dụng một tâm NV duy nhất để đạt độ phân giải không gian rất cao hoặc nhiều tâm NV để đạt độ nhạy từ cao. Tần số chuyển pha của tâm NV chỉ phụ thuộc vào từ trường, các hằng số vật lý cơ bản và hằng số đặc trưng của kim cương; do đó, cảm biến không cần hiệu chuẩn và dễ dàng quy đổi về Hệ thống đơn vị quốc tế (SI).
NIST cam kết cải thiện một số khía cạnh của máy đo từ trường tâm NV, bao gồm cả cách đọc các phép đo từ trường. Thiết bị hiện tại đo từ trường bằng cách phát hiện ánh sáng đỏ phát ra từ tâm NV. Các nhà nghiên cứu của NIST đang phát triển thế hệ thiết bị mới sử dụng hiệu ứng quang điện—sự phát xạ electron từ vật liệu dưới tác động của ánh sáng—để đo từ trường của tâm NV và đọc giá trị bằng điện.
Hệ thống phát hiện mới này trực tiếp chuyển đổi trạng thái spin electron trong tâm NV thành tín hiệu điện bên trong kim cương. Các nhà nghiên cứu của NIST sẽ thiết kế và chế tạo các thiết bị dò trường điện từ (EMF) quang học hiện đại và các thiết bị điện tử để tối đa hóa độ nhạy của thiết bị và các chỉ số hiệu suất chính khác, đồng thời giảm thiểu điện năng tiêu thụ, trọng lượng và chi phí. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu của NIST sẽ phát triển và sử dụng máy học để đọc các phép đo trường từ từ tâm NV nhanh nhất có thể.
Các nhà nghiên cứu của NIST sẽ phát triển các phép đo và tiêu chuẩn hóa cho các đặc tính cấu trúc, quang học và quay của kim cương, thu hẹp khoảng cách về chất lượng và tính nhất quán giữa kim cương sản xuất thương mại và kim cương cần thiết cho các ứng dụng cảm biến. Ngoài ra, NIST sẽ đo chính xác phản ứng từ tính của một lượng lớn kim cương để xác định độ không chắc chắn giữa các mẫu đối với một hằng số quan trọng đặc trưng cho kim cương được gọi là hệ số g. Điều này sẽ giúp xác định độ không chắc chắn của các phép đo từ trường được thực hiện với các viên kim cương tương tự, một bước quan trọng trong việc phát triển công nghệ này.
Nhóm nghiên cứu của NIST sẽ nghiên cứu cách thức xử lý vật liệu ảnh hưởng đến hiệu suất cảm biến và phát triển các quy trình tiêu chuẩn cho việc xử lý vật liệu.
Ưu điểm vượt trội so với các phương pháp hiện có.
Máy đo từ trường trung tâm NV có thể dễ dàng đo cường độ từ trường trên phạm vi rộng và, không giống như các cảm biến từ lượng tử khác, có thể đo hướng của từ trường, chứ không chỉ cường độ của nó.
Các máy đo từ trường của Trung tâm NV cũng có khả năng đo từ trường trên một dải tần số rộng, từ từ trường ổn định đến từ trường dao động ở tần số gigahertz. Do đó, Trung tâm NV có thể tự hiệu chuẩn các từ trường vi sóng được sử dụng trong các phép đo từ trường.
Không giống như các cảm biến sử dụng mạch siêu dẫn nhiệt độ cực thấp và tế bào hơi nguyên tử—hai loại máy dò từ trường lượng tử thường được sử dụng hiện nay—các tâm NV có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ và áp suất rất rộng, từ nhiệt độ đóng băng đến nhiệt độ trên nhiệt độ phòng, và từ áp suất chân không đến gigapascal.
Máy đo từ trường tâm NV có thiết kế nhỏ gọn và bền chắc, cho phép sử dụng trong nhiều môi trường khác nhau, kể cả những môi trường khắc nghiệt. Chúng cũng có chi phí vận hành thấp hơn so với các máy đo từ trường lượng tử khác, và vì kim cương cực kỳ bền, nên cảm biến kim cương có tuổi thọ cao.
Ứng dụng
Những nỗ lực hiện tại của NIST tập trung vào việc tận dụng những lợi thế độc đáo của trung tâm NV để tạo ra các công nghệ mới cho định vị chính xác. Từ kế trên máy bay hoặc máy bay không người lái có thể đo từ trường Trái đất. Sau đó, các phép đo này được so sánh với các bản đồ từ trường đã biết và kết hợp với dữ liệu từ các cảm biến quán tính trên tàu để xác định quỹ đạo của tàu vũ trụ.
Không giống như các hệ thống định vị dựa trên vệ tinh như GPS, có thể bị giả mạo hoặc gây nhiễu, cảm biến từ trường không phụ thuộc vào tín hiệu điện bên ngoài và rất khó bị gián đoạn. Điều này làm cho chúng trở nên hấp dẫn đối với các công ty quân sự và hàng không vũ trụ cần một phương pháp định vị thay thế trong trường hợp GPS và các hệ thống tương tự bị xâm phạm. Các máy đo từ trường khác hiện chưa cung cấp độ chính xác định vị cần thiết cho các ứng dụng thương mại, nhưng khả năng phát hiện vectơ của các trung tâm NV có thể cho phép chúng đạt được những gì mà các công nghệ khác hiện đang gặp khó khăn.
