The Signal
Un team di Fraunhofer spegne il laser NV per ottenere un contrasto magnetico del 100%
Uno studio pubblicato su Nature Communications presenta un magnetometro a diamante con centri NV inserito in una cavità laser che raggiunge un contrasto ottico del 100%. Il team calcola limiti di sensibilità dovuti al rumore di shot dei fot
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
«Qui dimostriamo un sistema NV basato sulla magnetometria alla soglia laser che raggiunge un contrasto ottico del 100%, con segnali in uscita intensi fino a 50 mW.»
Florian Schall et al., Nature Communications
Un team guidato da ricercatori dell’Institute for Applied Solid State Physics di Fraunhofer presenta questo risultato in un articolo pubblicato il 22 ottobre su Nature Communications. Nell’esperimento, i centri azoto-lacuna (NV) presenti nel diamante sono collocati all’interno di una cavità laser e le variazioni del campo magnetico vengono rilevate attraverso l’uscita del laser, anziché attraverso la fluorescenza del diamante. Quando un campo a microonde porta i centri NV in risonanza magnetica, il laser della cavità può spegnersi.
Il diamante diventa parte del laser
I centri NV sono difetti del diamante i cui stati di spin elettronico rispondono ai campi magnetici. I magnetometri NV convenzionali deducono in genere queste variazioni dalla fluorescenza; secondo lo studio, i sensori basati su insiemi di centri NV producono di solito un contrasto ottico di appena pochi punti percentuali. Nella nuova configurazione, invece, il diamante agisce all’interno della cavità come un assorbitore la cui risposta dipende dal campo magnetico, trasformando l’assorbimento dipendente dallo spin in una variazione dell’uscita del laser.
I ricercatori abbinano il diamante a un laser a emissione superficiale a cavità esterna con membrana, o MECSEL, che fornisce guadagno a 1042 nanometri. Un laser di pompaggio verde a 532 nanometri prepara i centri NV, mentre la frequenza delle microonde viene fatta variare attraverso le loro risonanze di spin. In prossimità della soglia del laser, una variazione dell’assorbimento può portare la cavità al di sotto del punto in cui si produce l’emissione laser, generando il contrasto totale riportato.
Due punti di funzionamento, due limiti di sensibilità
Il team riporta un limite di sensibilità dovuto al rumore di shot dei fotoni di 1.160 femtotesla per radice quadrata di hertz, insieme a un intervallo dinamico intrinseco di ±280 microtesla, in una delle configurazioni di misura. Con un diverso campione di diamante e impostazioni modificate, i ricercatori dimostrano la magnetometria vettoriale: il sensore distingue le tre componenti di un campo magnetico. In questa configurazione, il limite calcolato per il rumore di shot dei fotoni è inferiore a 400 fT/√Hz per tutte le componenti vettoriali, con un intervallo dinamico di ±40 microtesla; nell’orientamento più sensibile raggiunge 127 fT/√Hz.
Questi valori descrivono un compromesso all’interno dell’esperimento, non un unico punto di funzionamento: la maggiore sensibilità della configurazione vettoriale comporta un intervallo dinamico più ristretto. L’articolo confronta inoltre le prestazioni congiunte in termini di sensibilità e intervallo dinamico con una tendenza ottenuta adattando i dati di altri magnetometri, riportando un miglioramento fino a 590 volte rispetto a tale tendenza. Il fattore deriva da un confronto basato sui dati dei sensori rappresentati dagli autori e sui limiti calcolati, non da una prova diretta contro ciascuno strumento concorrente.
Il valore di 400 fT è un limite, non una sensibilità misurata
La distinzione è importante perché il risultato riportato, inferiore a 400 fT/√Hz, è un limite dovuto al rumore di shot dei fotoni, calcolato ipotizzando che questa sia la principale fonte di rumore. Gli autori affermano che il rumore tecnico del loro sistema laser è generalmente superiore di ordini di grandezza, perciò il limite calcolato non è stato raggiunto come sensibilità effettivamente misurata. Descrivono l’apparato come una dimostrazione di fattibilità e indicano la stabilizzazione del laser, il controllo termico e la rivelazione bilanciata tra le misure che potrebbero contribuire a ridurre il rumore.
Il risultato dell’articolo è dunque una dimostrazione del metodo di lettura: una risonanza magnetica può spegnere il laser e lo stesso approccio consente il rilevamento vettoriale con un contrasto elevato. Non vengono riportate misurazioni di segnali provenienti dal cuore, dal cervello o da un’altra fonte biologica. Per ora, le prestazioni dimostrate del sistema sono definite dal contrasto ottico e dai limiti di rumore calcolati, mentre il rumore tecnico resta al di sopra di tali limiti.