圖片來源：Physical Review Applied （2024）。DOI：
10.1103/PhysRevApplied.21.064010
據東京工業大學的科學家報道，利用氮空位中心的高靈敏度金剛石量子磁力計可以實現毫米級分辨率的腦磁圖（MEG）。基於連續波光學探測磁共振的新型磁力計標志著在實現環境條件MEG和其他實際應用方面邁出了重要一步。
MEG是一種生物醫學成像技術，用於通過使用非常靈敏的磁力計記錄大腦中神經元產生的自然電流產生的磁場來繪制大腦活動圖。
目前，MEG需要一個磁屏蔽室才能運行。實現在正常環境中工作且無需磁屏蔽的MEG是一個主要目標。這將使日常診斷、腦機接口和大腦功能的基礎研究成為可能。
使用具有氮空位 （NV） 中心的金剛石量子傳感器的磁力計是實現環境條件 MEG 的有希望的候選者。這些傳感器有望提供比傳統厘米級MEG更好的毫米級分辨率。值得注意的是，NV中心是金剛石結構中的缺陷，由氮原子取代碳原子組成，緊挨著空位。
用NV中心測量磁場的一種常用方法是連續波光學檢測磁共振（CW-ODMR）。在這種方法中，連續微波場用於操縱NV中心的自旋態，同時它們被激光照射。這種激光誘導熒光的強度會根據外部磁場而變化。
通過測量熒光的這些變化，可以檢測和測量外部磁場。與其他方法相比，該方法更簡單易行，可以達到毫米級分辨率。
基於這項技術，由東京工業大學電氣與電子工程系Naota Sekiguchi副教授領導的日本研究小組最近開發了一種新穎而靈敏的金剛石量子磁力計。
“臨床上可接受的 MEG 要求在合理的測量時間內，在 5-100 Hz 的近直流頻率範圍內，靈敏度至少為 picotesla （pT） 量級。目前，金剛石磁力計需要磁通量集中器（MFC）才能達到這種靈敏度。然而，MFC降低了磁力計的固有空間分辨率。
“此外，對於MEG，由於磁場的衰減隨著距離的增加呈指數增長，因此需要較短的測量距離。為了克服這些挑戰，我們設計了一種靈敏的基於CW-ODMR的金剛石磁力計，“Sekiguchi解釋道。
他們的研究已發表在《物理評論應用》雜志上。
這種新型磁力計使用單晶金剛石，該金剛石采用高壓高溫 （HPHT） 方法制造。合成HPHT後，平行於（111）晶平面切出一塊晶體，利用電子束照射在晶體中產生帶負電荷的NV中心，然後在1000°C下退火。
該NV中心集成放置在傳感器頭中，旨在以4 x 10的傳感體積接近目標約1毫米-3毫米3.采用波長為532 nm的線偏振綠光激光激發該系綜，並采用高折射率半球透鏡提高激光誘導熒光的收集效率。
通過仔細調整實驗條件，研究人員實現了9.4±0.1 pT Hz的記錄靈敏度-1/2在 5–100 Hz 的頻率範圍內，沒有 MFC。此外，對艾倫偏差的分析表明，該磁力計可以測量低至0.3 pT的磁場，並長時間保持顯著的靈敏度。此外，其設計適用於實際應用，例如活體動物的 MEG。
本研究實現的高靈敏度標志著朝著實現毫米級分辨率的環境條件MEG邁出了重要一步。展望未來，Sekiguchi 總結道：“未來，我們計劃使用本研究中開發的傳感器測量動物的 MEG，並使用金剛石量子傳感器實現 MEG 測量。最終，我們的目標是在不需要磁屏蔽的情況下實現 MEG。
更多信息：N. Sekiguchi 等人，金剛石量子磁力計，直流靈敏度低於 10 pT Hz−1/2，用於測量生物磁場，Physical Review Applied （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevApplied.21.064010.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2309.04093
期刊信息： arXiv ， Physical Review Applied
