The Signal
Fraunhofer IAF dimostra un contrasto del 100% in un magnetometro a diamante
I ricercatori di Fraunhofer IAF hanno dimostrato che un magnetometro a diamante basato sulla soglia laser può interrompere la propria emissione laser in corrispondenza della risonanza magnetica, producendo un contrasto ottico del 100%. Il p
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Nei magnetometri, spesso una maggiore sensibilità comporta un intervallo dinamico più ristretto: gli strumenti tarati per rilevare campi molto deboli possono coprire un intervallo minore, mentre quelli progettati per coprire intervalli più ampi tendono a essere meno sensibili. Il 22 ottobre, Fraunhofer IAF ha dichiarato che il suo magnetometro a diamante basato sulla soglia laser aveva raggiunto un contrasto ottico del 100%: un risultato che cambia nettamente il segnale di lettura del sensore, ma non elimina questo compromesso.
Il prototipo del gruppo impiega centri azoto-lacuna (NV) nel diamante, all’interno di una cavità laser. Anziché misurare la fluorescenza dei centri, legge l’emissione del laser: le variazioni del campo magnetico spostano le risonanze dei centri NV e una risonanza indotta da microonde può portare il laser al di sotto della sua soglia di funzionamento. I ricercatori riportano una potenza in uscita fino a 50 milliwatt e una sensibilità limitata dal rumore shot dei fotoni inferiore a 400 femtotesla per radice quadrata di hertz per tutte e tre le componenti del vettore campo magnetico.
Una risonanza magnetica spegne il laser
I centri NV sono difetti del diamante su scala atomica i cui stati di spin rispondono ai campi magnetici. Nella magnetometria NV convenzionale basata sulla fluorescenza, il contrasto ottico, cioè la differenza relativa tra i livelli del segnale in risonanza e fuori risonanza, è in genere solo di pochi punti percentuali, secondo Fraunhofer IAF. L’approccio basato sulla soglia laser colloca invece il diamante nel risonatore laser, dove i centri NV agiscono come un canale di perdita dipendente dal campo magnetico.
Quando la risonanza di spin aumenta abbastanza questa perdita, il laser smette di emettere. «Mostriamo un contrasto ottico del 100%, cioè siamo in grado di spegnere completamente il sistema laser del sensore tramite la risonanza magnetica», scrivono gli autori. Florian Schall et al., «Laser-enhanced quantum sensing boosts sensitivity and dynamic range»
Si tratta di un risultato relativo al contrasto, non di un’affermazione secondo cui l’accuratezza della misura sarebbe del 100%. Il passaggio dall’emissione laser alla sua assenza rende la risonanza più facile da distinguere otticamente; la sensibilità al campo dipende comunque dalla larghezza della risonanza, dal rumore del segnale e dalle condizioni operative.
Il fattore 590 riguarda un rapporto
Secondo Fraunhofer IAF, rispetto ai sensori NV convenzionali basati sulla fluorescenza e ai magnetometri a celle di vapore, il sistema migliora fino a 590 volte il rapporto tra sensibilità e intervallo dinamico. La cifra descrive il confronto tra due parametri del sensore, non un aumento di 590 volte della sensibilità in sé. Nell’articolo, gli autori inquadrano il confronto nel consueto compromesso tra sensibilità e intervallo dinamico dei dispositivi che hanno valutato.
La distinzione è importante perché i valori principali non descrivono un’unica condizione operativa. L’articolo riporta un intervallo dinamico di più o meno 280 microtesla insieme a una sensibilità limitata dal rumore shot dei fotoni di 1.160 fT/√Hz. In una configurazione separata per la magnetometria vettoriale, il gruppo riporta una sensibilità inferiore a 400 fT/√Hz, con un intervallo più ristretto di più o meno 40 microtesla.
Il prototipo richiede ancora una lettura meno rumorosa
Il risultato inferiore a 400 fT/√Hz è un limite determinato dal rumore shot dei fotoni, non un’affermazione secondo cui il prototipo operi già a quella sensibilità in presenza del rumore del mondo reale. Gli autori descrivono l’apparato come una dimostrazione di fattibilità e affermano che un sistema laser riprogettato e più stabile, la rivelazione lock-in e la rivelazione bilanciata potrebbero avvicinare la sensibilità misurata a quel limite. Questi interventi mirano a ridurre il rumore che il calcolo basato sul rumore shot dei fotoni non considera.
Fraunhofer IAF indica come possibili applicazioni le misurazioni mediche dell’attività cardiaca, muscolare e cerebrale, la navigazione magnetica e il rilevamento di anomalie magnetiche. La ricerca fa parte di NeuroQ, un progetto finanziato con fondi tedeschi che sviluppa sensori destinati a rilevare l’attività cerebrale per interfacce cervello-computer che controllano esoscheletri. Per ora, il risultato riportato è una dimostrazione di laboratorio: la risonanza magnetica può spegnere il segnale laser, mentre la sensibilità e l’intervallo dinamico continuano a dipendere dalla configurazione dello strumento.