一种同时检测不同方向磁场的新方法

在磁导航、生物磁场检测与成像、磁异常检测等众多磁力测量应用中，都需要对动态矢量磁场进行实时传感。

标量磁力计只能测量磁场的大小，而矢量投影磁力计可以测量沿特定轴的磁场投影。但是如果你想一次测量不同方向的磁场怎么办。

最近，哈佛大学的研究人员开发了一种工具，可以感知几乎所有事物中的磁场，从凝聚态系统到放电神经元。为此，该工具使用金刚石中称为氮空位 (NV) 中心的各种点缺陷之一。可同时检测不同方向的磁场。

研究人员对一块 4 平方毫米的小金刚石晶片施加了 4 种不同的微波信号。每个信号都配置为测量特定的 NV 方向并根据特殊的频率调制模式进行抖动（添加白噪声以减少低幅度信号的失真）。这使他们能够分析单个 NV 取向在不同磁场方向上的表现。

到目前为止，这一直是在微波频率之间有规律地转换以一次观察单个 NV 方向的响应的繁琐且耗时的过程。与之前的方法相比，新工具有了重大改进。

旧技术不适用于快速过程，例如由激发神经元产生的生物磁场。它无法捕获所有信息，但新技术可以同时测量各个方向的磁场。

在这项研究中，研究人员在磁场波动时从钻石中收集了连续的数据流。新工具可以比收集数据更快地处理这些数据，使研究人员能够实时观察磁场的幅度和方向。

参考：APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 |哈佛公报

该系统建立在先前的研究之上，该研究使用钻石的氮空位中心来识别海洋蠕虫的神经信号。这只是原理的证明。一个有效的神经科学系统必须与哺乳动物的神经元兼容，但由于激发神经元会产生沿不同方向排列的磁场，因此制作这样的系统非常困难。然而，新开发的工具处理了神经元磁感应的所有这些问题。

对于这项任务，NV 中心完美地排列在金刚石晶格中。每个 NV 中心是通过用一个氮原子和一个相邻的空位替换一个碳原子来创建的。由于每个原子与其他 4 个原子相连，因此有 4 种可能的 NV 取向，每个取向都对沿该方向取向的磁场敏感。因此，可以使用4种NV中心来确定磁场方向。

研究人员提供

在这个实验中，研究人员将一块金刚石放在磁场中（在实验室中生产），并在其上投射激光，使矿物发光。当NV中心对磁场变化和独特的频率调制模式做出反应时，NV中心的亮度发生了显着变化。

研究人员跟踪了亮度的变化并创建了磁场的 3D 图像。现在可以同时观察所有 4 个 NV 方向并实时确定磁场。这就像同时收听 4 个不同的广播频道，而且它们都有意义。

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尽管与其他科学家的工作相比，这是一个小小的改进，但作者相信他们的技术可以用于各个领域，包括凝聚态物理和生物学。

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