В МИФИ разработали метод повышения чувствительности датчиков магнитного поля

Среди используемых сегодня методов измерения магнитного поля весьма перспективным является магнитометрии на основе так называемых NV-центров в алмазе. В Институте нанотехнологий в микроэлектронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ разработали метод преодоления искажений в работе магнитных сенсоров этого типа и тем самым повышения их точности. Исследование выполнено в рамках программы «Приоритет 2030» (стратегический проект «Радиофотоника и квантовая сенсорика»).

NV-центром (англ. nitrogen-vacancy center) или азото-замещённой вакансией в алмазе называют разновидность точечных дефектов алмаза: нарушение строения кристаллической решётки алмаза, возникающее при удалении атома углерода из узла решётки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота. Уникальность дефекта заключается в том, что его свойства практически аналогичны свойствам атома, будь тот «заморожен» в кристаллической решётке алмаза: электронные спины индивидуального центра легко манипулируются: светом; магнитным, электрическим и микроволновыми полями; это свойство «дефектных алмазов» делает его основой для создания сенсоров – в частности, сенсоров магнитного поля.

Одной из проблем магнитометрии на основе NV-центров в алмазе является необходимость учитывать влияние на NV-центры внутрикристаллического поля, которое в реальных кристаллах алмаза может быть довольно сильным вследствие наличия дефектов кристаллической структуры. Это может искажать показания сенсора. В этой связи актуальной является проблема различения вкладов магнитного и электрического полей при измерении магнитного поля. Для решения этой задачи, учеными из НИЯУ МИФИ было предложено заменить при создании NV-центра изотопы азота или даже вообще вместо азота использовать углерод.

Если вместо изотопа азота ¹⁴N, входящий в NV-центр, использовать изотоп ¹⁵N или NV-центр с близкорасположенным изотопом ¹³С в кристаллической решетке алмаза, то согласно приведенным расчетам, данные гибридные квантовые системы позволяют разделять эффекты от внутрикристаллических полей и измеряемого магнитного поля.

Например, в результате исследований влияния магнитного и электрического поля на дважды вырожденные состояния комплекса ¹⁴NV-¹³С показано, что вырождение снимается только магнитным полем. Для рассматриваемой системы поперечное электрическое поле до 150 кВ/см практически никак не влияет на зависимость расщепления. Расщепление линейно зависит от магнитного поля в диапазоне 0 – 0,5 Гс. Таким образом, сохранение вырождения энергетических уровней в электрическом поле может повысить чувствительность магнитометрии.

Ранее НИЯУ МИФИ получил грант Минобрнауки России на проект разработки многокубитных спиновых квантовых сетей на основе примесных центров в алмазе.