来自ITMO大学和俄罗斯科学院Lebedev物理研究所的科学家提出了一种新型微波天线，可以产生大量均匀的磁场。它能够对纳米金刚石结构缺陷集合的电子自旋进行均匀，连贯的寻址。 这可以用于创建用于脑磁图的超灵敏磁场检测器，用于研究和诊断癫痫和其他疾病。

    从导航到医学，许多行业中研究磁场特性都是必要的。例如，脑磁图可以记录由大脑活动产生的磁场，以及测量单个神经元的活动。 该方法用于癫痫和阿尔茨海默病的诊断，以及脑外科手术的准备。然而，脑磁图需要超灵敏的磁力计，用来记录极弱磁场的特征。

    因此, 科学家们一直在寻找新的方法来创造超敏感的磁强计。这些器件应在室温下以低输入功率工作。此外, 它们应该是紧凑的, 相对便宜的。在这一领域有希望的选择之一是有缺陷的纳米金刚石。纳米粒子是具有高折射率和高导热性的碳纳米结构, 与其他物质几乎没有相互作用。它们可能包含复杂的内部结构缺陷, 如氮空位 (NV) 中心。

    “这些缺陷可能是人为产生的。当从金刚石的晶格中除去碳原子时，产生的空位与注入的氮原子结合。这种缺陷的结构是独特的，因为单个中心的电子自旋是由电磁场操纵的。根据周围微波磁场的特性，NV中心的电子自旋状态正在发生变化，这可以用光学方法记录下来。”ITMO大学物理与技术学院研究员Dmitry Zuev解释道。

    然而，由于单个NV中心的响应不够强，因此需要这些缺陷的集合以提高传感器的灵敏度。这是会出现问题的地方, 因为纳米金刚石中所有中心的电子自旋的反应必须得到连贯的处理和操纵。换句话说, 它们都必须处于强度相同的微波磁场中, 这样它们的响应就可以是一样的。

    来自ITMO大学和俄罗斯科学院Lebedev物理研究所的科学家建议使用介电微波天线来连贯地控制整个纳米金刚石体积中NV中心的电子自旋。天线由一个具有包含纳米金刚石的内部孔的介电筒和多个NV中心表示。这个系统是由电流激发的。一旦施加大约5瓦的输入功率, 介电筒就会在纳米金刚石周围产生一个强烈且均匀的磁场。因此, 所有NV中心的电子自旋都以相同的方式进行同步, 从而提供了较高的磁强计灵敏度。

    "这项工作的主要挑战是在市售纳米金刚石样品的整个体积中实现NV中心电子自旋的相干控制。我们决定为此使用基于介电谐振器的天线。我们计算了所需的天线参数, 并估计了预期效果。实验研究是与莫斯科Alexey Akimov教授的研究小组合作进行的。我们收集了一个实验样本并测量了Rabi频率，它显示了电子自旋可以被操纵的频率。此值越大, 效果越好。我们得到了10兆赫的拉比频率。这样的结果以前从未通过实验显示体积样本，所以这实际上是一个突破，“ITMO大学物理与技术系研究员Polina Kapitanova说。

    测量Rabi频率是确定新磁力计灵敏度的***步。 科学家计划继续进行实验和理论研究，寻找新的天线配置，以提供更高质量的磁强计。

    金刚石是自然界存在的特殊材料之一，具有***高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等，如下表。虽然天然金刚石具有这些***的特性，但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在，其性质的多变性和稀有性极大地***了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身，且成本较天然金刚石低，能够制备各种几何形状，在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。