MITの研究者らは、従来の装置よりエネルギー効率が1,000倍高い、超高感度の新型磁場検出器を開発した。これにより、医療や材料の画像化、不正品の検出、さらには地質探査に使える、小型で電池駆動の装置が実現する可能性がある。
磁場検出器、すなわち磁力計は、すでにこれらすべての用途に使われている。しかし、既存技術には欠点がある。ガスを充填したチャンバーに依存するものもあれば、狭い周波数帯域でしか動作せず、用途が限られるものもある。
窒素空孔（NV）を持つ合成ダイヤモンドは、磁場に極めて敏感な欠陥を備えており、効率的で携帯可能な磁力計の基盤として長らく期待されてきた。爪の幅の約20分の1ほどのダイヤモンドチップには、数兆個の窒素空孔を含めることができ、それぞれが独自に磁場を測定できる。
課題は、そうした測定値を集約することだった。窒素空孔を調べるには、レーザー光を照射する必要があり、空孔はその光を吸収して再放出する。放出光の強度には、空孔の磁気状態に関する情報が含まれている。
「これまでは、ポンプ光のごく一部だけを使って、NVのごく一部を励起していました」と、新装置の設計者の一人である、電気工学・コンピューターサイエンス学科のジェイミソン・キャリア開発助教、ダーク・エングルンドは述べる。「私たちはポンプ光のほぼすべてを使い、NVのほぼすべてを測定します。」
MITの研究者らは、新装置について『 Nature Physics』の最新号で報告している。論文の筆頭著者は、電気工学の大学院生で、筆頭著者のエングルンドとMITリンカーン研究所の物理学者ダニエル・ブラジェの指導を受けるハンナ・クレベンソンである。エングルンドの学生であるマシュー・トラスハイムとカーソン・ティール（リンカーン研究所にも所属）、およびMIT電子研究所のポスドク研究員ティム・シュレーダーも加わっている。
欠けていることの意味
純粋なダイヤモンドは、磁場と相互作用しない炭素原子の格子である。窒素空孔とは、格子内で原子が一つ欠け、その隣に窒素原子がある状態を指す。空孔内の電子は磁場と相互作用するため、センシングに役立つ。
光の粒子である光子が窒素空孔内の電子に当たると、電子はより高いエネルギー状態へと押し上げられる。電子が元のエネルギー状態に戻る際、余分なエネルギーを別の光子として放出することがある。しかし磁場は電子の磁気的な向き、すなわちスピンを反転させ、二つのエネルギー状態の差を大きくする。磁場が強いほど反転するスピンが増え、空孔から放出される光の明るさが変化する。
この種のチップで正確に測定するには、できるだけ多くの光子を集める必要がある。クレベンソンによると、これまでの実験では、研究者はチップの表面にレーザー光を当てて窒素空孔を励起することが多かった。
「吸収される光はごく一部だけです」と彼女は言う。「大半はそのままダイヤモンドを通り抜けてしまいます。ダイヤモンドの角にこのプリズム状の面を加え、側面からレーザーを入射させることで、大きな利点が得られます。ダイヤモンドに入れた光はすべて吸収され、活用できます。」
あらゆる条件を網羅する
研究者らは、レーザー光が結晶内に閉じ込められ、側面で反射を繰り返す角度を計算した。疲れを知らない手球がビリヤード台を跳ね回るように、結晶の長さと幅全体にわたる軌跡を描き、エネルギーがすべて吸収されるまで進む。
「光路の長さは1メートル近くにできます」とエングルンドは言う。「長さ1メートルのダイヤモンドセンサーを数ミリメートルの中に巻き込んだようなものです。」その結果、このチップはポンプレーザーのエネルギーを従来の装置の1,000倍効率よく利用する。
窒素空孔の幾何学的配置により、再放出された光子は四つの異なる角度で出てくる。結晶の一端にあるレンズでその20％を集めて光検出器に集光でき、信頼性の高い測定を行うには十分な量となる。
「NV中心は扱いやすいのが非常に良いところです」と、米海軍航空システム司令部の物理学者フランク・ナルドゥッチは言う。「小さな固体試料があるだけです。何か処理をする必要はありません。真空中に置く必要も、極低温に冷やす必要もありません。励起するには緑色レーザーを使えばよく、レーザーポインターで十分です。安定化レーザーのような、特別に高度な装置も必要ありません。」
「面白いのは、試料そのものを導波路のように使って光を反射させている点です」と彼は続ける。「試料はかなり小さい。レーザーも特別なものでなくてよいので、レーザーも小型化できます。非常に小さな磁力計を実現できるでしょう。そして、それに応じて非常に安価に作ることもできます。」
「海軍の観点から言えば」と彼は付け加える。「使い捨て磁力計についてよく話します。海上のある区域の上空を飛行して測定を行いたい場合、こうした装置を一握り投下すればよいのです。非常に安価で感度の高い磁力計が実現すれば、これは非常に有望な用途の一つになるでしょう。」
この記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。
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著者：ラリー・ハーデスティはMIT Newsのゲスト寄稿者です。
画像：レーザー光が合成ダイヤモンドの角にある面から入り、エネルギーが尽きるまでダイヤモンド内部で反射を繰り返す様子。この光が「窒素空孔」を励起し、磁場の測定に利用できる。画像：H. Clevenson/MIT Lincoln Laboratory
