Gli scienziati sviluppano il laser

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Uno sforzo di collaborazione multinazionale ha portato alla scoperta di un nuovo sensore di diamante basato su laser in grado di misurare i campi magnetici fino a 10 volte meglio di quanto fanno gli strumenti oggi, si legge in un comunicato stampa dell'università.

Oggi le misurazioni del campo magnetico sono ampiamente utilizzate nel campo della medicina. La risonanza magnetica (MRI), che combina l’uso di un magnete e di onde radio per osservare organi e strutture all’interno del corpo, è diventata uno strumento significativo per esaminare il cervello e il midollo spinale e cercare i primi segni di malattie.

D’altra parte, con i progressi della tecnologia medica, ora possiamo anche misurare i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche all’interno del nostro cervello. Utilizzando una tecnica chiamata magnetoencefalografia (MEG), i medici possono ora mappare l’attività nel cervello e cercare posizioni che potrebbero essere la fonte di crisi epilettiche o individuare neuroni malfunzionanti durante le normali attività nel cervello.

Sebbene tecnologie come MEG siano un vantaggio per la comunità medica, installare e utilizzare queste macchine rappresenta una sfida importante. Lo strumento in grado di misurare il campo magnetico è costoso e riempie un’intera stanza che necessita di schermatura magnetica. Richiede inoltre temperature ultra fredde per mantenere l'elio utilizzato nello strumento allo stato liquido. La cosa più difficile di tutte è che è necessario che il paziente rimanga assolutamente immobile mentre effettua queste misurazioni.

I ricercatori del Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) hanno collaborato con il Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF) in Germania per cercare modi per migliorare il rilevamento di queste onde e hanno scoperto che il diamante utilizzato per questi rilevamenti potrebbe essere ulteriormente migliorato.

I diamanti fanno parte degli strumenti utilizzati oggi per il rilevamento del campo magnetico. L'intensità della luce proveniente dai difetti quantistici del diamante cambia con la forza del campo magnetico. I ricercatori, tuttavia, hanno scoperto che la maggior parte della luce emessa dal diamante viene persa.

Convertendo questa luce in un laser, i ricercatori sono riusciti a raccoglierla tutta e questo ha portato ad un aumento di 10 volte nella rilevazione del campo magnetico.

I ricercatori prevedono che uno strumento MEG realizzato con il loro diamante che emette laser sarà molto più piccolo degli strumenti odierni e potrebbe essere reso portatile se necessario. Invece di stare seduti, i pazienti potevano praticamente camminare con il MEG sviluppato utilizzando questa nuova tecnologia. Poiché lo strumento non richiederebbe elio liquido, funzionerebbe anche a temperatura ambiente.

Lo strumento, la cui costruzione potrebbe richiedere fino a cinque anni, sarà utile per individuare i primi segni di malattie come la demenza, il morbo di Alzheimer e l'epilessia.

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Science Advances.

Astratto

I centri di azoto vacante (NV) con carica negativa nel diamante sono promettenti sensori quantistici di campo magnetico. La teoria della magnetometria della soglia laser prevede una migliore sensibilità dell'insieme centrale NV attraverso una maggiore potenza del segnale e un maggiore contrasto del campo magnetico. Qui, dimostriamo sperimentalmente la magnetometria della soglia laser. Utilizziamo una cavità laser macroscopica ad alta finezza contenente un mezzo di guadagno di diamante altamente drogato NV e a basso assorbimento che viene pompato a 532 nm e seminato in modo risonante a 710 nm. Ciò consente un'amplificazione della potenza del segnale del 64% mediante emissione stimolata. Testiamo la dipendenza dal campo magnetico dell'amplificazione e quindi dimostriamo l'emissione stimolata dipendente dal campo magnetico da un insieme di centri NV. Questa emissione mostra un contrasto ultraelevato del 33% e una potenza di uscita massima nel regime dei milliwatt. La lettura coerente dei centri NV apre la strada a nuove applicazioni laser e di cavità di difetti quantistici e sensori di campo magnetico NV del diamante con sensibilità sostanzialmente migliorata per i settori sanitario, della ricerca e minerario.