Superczuły diamentowy czujnik pola elektrycznego

Superczuły diamentowy czujnik pola elektrycznego

Naukowcy z University of Stuttgart opracowali technikę umożliwiającą precyzyjne pomiary pola elektrycznego dzięki defektom struktury diamentu. Pola elektryczne odgrywają ogromną rolę zarówno w naturze, jak i technice. Dzięki zmianom pola elektrycznego przesyłane są impulsy nerwowe, ale także działają pamięci flashowe. Tymczasem precyzyjne pomiary pola elektrycznego są dziś wciąż nie lada wyzwaniem.

Sterowanie ładunkami elektrycznymi odgrywa rolę w każdym niemalże procesie: fizycznym, chemicznym czy biologicznym. Na przykład, dokładna dystrybucja elektronów w DNA jest kluczowa dla precyzyjnego przekazywania informacji genetycznej.

Pomimo tego pomiary tak słabych pól elektrycznych są dziś ogromnym wyzwaniem. Naukowcy ze Stuttgartu skonstruowali nowatorski czujnik składający się z pojedynczego atomu. Atom azotu stanowi zanieczyszczenie diamentu. Krystaliczna sieć diamentu ‘więzi’ atom, równocześnie umożliwiając laserowi trafienie do centrum jądrowego wakansu, czyli nie obsadzonego atomami węzła sieci krystalicznej. Interakcja atomu z mierzonym polem może zostać określona przez światło emitowane przez zanieczyszczenie. Umożliwia to mierzenie pola elektrycznego o natężeniu ledwie cząstki pola elektrycznego ładunku elementarnego z odległości 0,1 mikrometra. Dzięki temu, że sam czujnik jest wielkości ledwie pojedynczego atomu, pola elektryczne mogą być mierzone z taką samą precyzją przestrzenną.

Optyczny odczyt czujników umożliwia umieszczenie go w dowolnej pożądanej geometrii, a co więcej, proces ten osiąga taką czułość i rozdzielczość w temperaturze pokojowej i warunkach zwykłego otoczenia. Choć obecność niewielkich pól magnetycznych została już w przeszłości zademonstrowana, jednakże połączenie obu technik pomiarowych umożliwia teraz pomiar pól elektrycznych i magnetycznych w jednym miejscu bez konieczności zmiany czujnika. Ta unikalna kombinacja otwiera zupełnie nowy obszar zastosowań. Na przykład, równoczesny pomiar rozmieszczenia momentów magnetycznych jąder związków chemicznych, albo rozkładu elektronów w pojedynczych molekułach. W ten sposób możliwe jest równoczesne określenie struktury substancji oraz jej chemicznej reaktywności.

(lk)