金刚石粉尘可以实现低成本、高效率的磁场检测

在大约指甲大小的装置中，金刚石纳米晶体簇（图中黑点）位于一种称为多铁性的材料上。与其他方法相比，多铁性可以更有效地将微波能量传输到晶体中

加州大学伯克利分校的工程师们创造了一种装置，能够显著降低为磁场探测器供电所需能量。这种装置将彻底改变我们测量流经电子设备、地球甚至身体的磁场的方式。

Dominic LabanowskiDominic Labanowski作为电气工程和计算机科学系的博士后研究员，帮助制造了由注入氮气的钻石制成的设备，他说：“目前最好的磁传感器体积庞大，只能在极端温度下工作，可能要花费数万美元。我们的传感器可以替代那些在导航、医疗成像和自然资源勘探等许多应用中难以使用的传感器。”

每次基于金刚石的传感器测量磁场时，必须首先用1到10瓦的微波辐射进行爆破，使其对磁场敏感，而这足以熔化电子元件。研究人员发现了一种利用微波激发小钻石的新方法，其功耗降低了1000倍，因此可以创建适合手机等电子设备的磁感应设备。

这项工作由加州大学伯克利分校的Sayeef Salahuddin实验室与俄亥俄州立大学的研究人员合作进行。该团队于9月7日在Science Advances杂志上在线报告了他们的设备。

瑕疵钻石

用氮气射流轰击钻石可以剔除一些高度有序的碳原子，并用氮原子取代它们。这些取代碳的氮气称为氮空位（NV）中心，具有科学家们所熟知的独特性质。

Labanowski说：“你可以将这些NV中心用作非常强大的传感器，但传统上它们的应用受到限制，因为它需要很大的功率来读取它们。”

为了检测磁场，科学家首先必须使用高功率微波辐射来击中NV中心，约相当于标准微波功率的百分之一，或者是普通手机消耗功率的十倍。然后他们用激光照射NV中心，激光被氮原子吸收和发射。

磁场的强度与发射的激光强度有关：发射光的强度可用于测量场强

为了制造这种装置，研究人员将金刚石纳米晶体（每个包含数千个NV中心）放置在称为多铁性的薄膜上。这种新型材料能够更有效地将微波能量传递给晶体。

“这项技术大大降低了传感器的功耗，使其可用于实际应用。”Labanowski说。

体内和地下成像

磁传感器的医学应用包括使用磁场测量脑电波的脑磁图，或使用磁场来成像心脏功能的心磁图。目前这些机器相当于一个小房间的大小，造价可能花费超过300万美元。

“有了低功率NV传感器，你可以想象用一个房间大小的脑磁图机并把它变成类似头盔的东西，大大减少了尺寸和成本。”Labanowski说。

传感器也可以放置在飞机或无人机中，以帮助在地下发现稀土金属，或改善手机导航。

Salahuddin说，磁场检测只是NV中心的一个应用。该团队正计划改进他们的技术，以便在各种应用中使用NV中心和其他类型的量子系统。

“虽然我们强调磁场感应，但我们的工作可能涉及量子系统的电子操作，包括量子计算在内的更广泛的应用领域。”Salahuddin说。

原文来自rdmag，原文题目:Diamond Dust Enables Low-Cost, High-Efficiency Magnetic Field Detection，由材料科技在线团队翻译整理。