一种可用于医学成像和违禁物检测的新型传感器

麻省理工学院（MIT）的研究人员最新制备了一种新型的、超灵敏的磁传感器，它要比之前的传感器机节能1000多倍。使用这种传感器我们可以制备微型的电池供电器件，此种器件能应用于医学成像、材料成像、违禁物检测甚至是地质勘探。

磁传感器，又称为磁力仪，经常应用于上述领域。但是，现有的磁传感器有着如下缺点：有的依赖充气腔；有的磁传感器频带很窄，应用范围受限。

含有氮空位（nitrogen vacancies，NVs）的人造金刚石一直以来有望应用于制备高效便携的磁力计，因其结构中的有空缺部分对磁场十分敏感。一个尺寸约为拇指指甲大小二十分之一的金刚石芯片可包含数以万亿计的氮空位，而且每个氮空位都可以应用于磁场的测量。

在测量中也会出现一些问题。探测氮空位需要用激光击中，氮空位吸收并再次发射激光。发射光的光强包含有氮空位磁状态信息。

Jamieson职业发展中心电子工程和计算领域的助理教授，同时也是本项研究中新器件的设计者之一Dirk Englund说道：“过去，仅有少量的泵浦光可用于激发少量的氮空位。 现在，我们可充分利用所有的泵浦光来测量氮空位。”

纯金刚石是由碳原子构成的晶体结构，并不与磁场发生作用。氮空位即是晶格上与氮原子相邻处缺少一个原子。空位处的电子可与磁场发生反应，这也正是它们可用于探测的原因。

当光粒子轰击电子进入氮空位时，它将电子激发至更高的能态。而当电子回到本身的能态时，就会以光子的形式释放出多余的能量。而磁场可将电子的磁定向或自旋方向翻转，导致两种能态之间差量的增大。我们发现，磁场越强，自旋翻转越明显，对氮空位改变光强所起的作用就越明显。

使用此芯片进行精确测量需要采集尽可能多的光子。在之前的实验中，Clevenson说道：“研究人员经常通过引导芯片表面的激光激发氮空位。”

她还说道：“仅有一小部分的光被吸收，大多数的光直接透过金刚石。我们可以在金刚石的一角放置三棱镜将激光耦合，这样所有穿过金刚石的光即可被吸收利用。”

研究人员还计算了激光束进入晶体并限制在其中来回反射的角度，就像台球比赛中不停来回的母球一样，这样在激光所有的能量被吸收之前，即可测定晶体的长度和宽度。

Englund说道：“你可以将作用路径长度缩短至一米，就好像你将一个一米长的金刚石传感器封装成几毫米长。”因此，在对泵浦光能的利用上，本次研发的芯片要比之前的芯片高效1000倍。

由于这些氮空位的几何结构，重新发射的光子一般出现在四个不同的角度。在晶体底部的棱镜可收集其中的20%，并将它们集中发送至一个光探测器，从而进行后续更可靠的测量。

Frank Narducci,美国海军空中系统司令部的物理学家说道：“内华达州中心很愿意参与本项目，只需要这样的微小固态样品，不需要再做任何加工，不需要放置真空中，不需要低温冷却；只需要一束绿色激光即可激发它们，一个激光指针就足够了，也不需要特意去稳定激光。”

他还说道：“更奇妙的是，它们现在是有的样品本身就像一个波导，不停反弹光。它们的样品非常小，而且不需要什么特殊的激光。因此，我们可设想下一应用其制备非常小且成本低廉的磁力计。”

“从海军应用的角度来看，我们可以将其应用于一次性搜查，让其飞越海洋的某些地方来进行测量，你只要随便扔出一些磁力计即可。如果我们真正制备出这些高灵敏且成本低廉的磁力计，其应用前景将不可估量。” （科学之家，译审：Y Li）

关注科学之家微信公众号：kexuehome 收取新鲜科学资讯。