科技日报北京4月12日电 （记者常丽君）最近，美国麻省理工大学（MIT）研究人员利用人造钻石中的瑕疵开发出新一代超灵敏磁场探测器，效率达到上一代探测器的近千倍。这将为医疗领域、材料成像、走私检查甚至地质勘探带来微型化的电池充电设备。相关论文发表在最近出版的《自然·物理学》杂志上。
据物理学家组织网日前报道，纯净钻石是完全由碳原子组成的晶格结构，不会与磁场相互作用。人造钻石中的瑕疵叫做氮晶格空位，是晶格中一个氮原子取代了碳原子形成的氮空位，空位中的电子能与磁场相互作用，对磁场极为敏感，一块只有拇指甲1/20大小的钻石芯片就含有万亿个氮空位，每个空位都能进行磁场检测。科学家希望以此为基础造出高效便携的磁力计，问题是怎样把所有检测聚集起来。探测一个氮空位要用激光照射它，它吸收光子然后再发出光，再发射光的强度就携带了空位磁场状态的信息。
要用这种芯片做精准测量，需要收集尽可能多的光子。论文第一作者、研究生汉娜·克莱文森说，在以往实验中，通常是直接用激光激发芯片表面的氮空位。“这样只能吸收一小部分光，大部分光都通过了钻石。而我们给钻石增加了棱面，使激光在钻石内耦合在一起，所有入射光都能被吸收利用。”
研究人员计算了激光入射晶体的角度，使激光能从各棱面反射，就像台球桌上的撞球，不知疲倦地在晶体各面轮番反弹，直到它所有的能量被吸收殆尽。“通过的总路径加起来接近1米。”MIT贾米森职业培训中心电工与计算机科学副教授德克·英格伦德说，“就像你把一个1米长的钻石传感器仅缠到几毫米内。”因此，芯片的泵浦激光能效达到了以往的近千倍。“我们能利用几乎所有的泵浦光检测几乎所有的氮空位。”
当一个光子击中氮空位中的一个电子时，会把它击入更高的能态，当电子回到原来能态时，就会像其他光子一样释放出额外能量。而一个磁场，会弹击电子的磁向（或自旋方向），增大它在两种能态之间的能量差。磁场越强，就会弹击越多的电子自旋，改变空位发光的亮度。
由于氮晶格空位的几何结构，重新发出的光子会以4种角度射出。每一边放一个透镜能收集20%的发射光，把它们聚集到一个光探测器上，足够生成一次可靠的检测。
(来源:科技日报)
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