物理學：新工具可以同時感應各個方向的磁場！
“就像一次聽四個調頻廣播電臺並讓一切都有意義”，Jenny Schloss描述了她用Matt Turner開發的用於感應磁場的工具。圖片來源：Rose Lincoln / Harvard Staff Photographer。
想象一下，試著理解演講者一次演奏四首歌曲的嘈雜聲，你對Jenny Schloss和Matt Turner所面臨的挑戰有所瞭解。
為了構建一個使用NV中心的工具 - 鑽石中的原子級雜質 - 來感知從激發神經元到凝聚態物質系統的各個方面的磁場，這對博士學位。來自文理學研究生院的候選人已經開發出一種可以同時檢測各個方向的磁場的方法。Schloss和Turner在哈佛大學腦科學中心和物理系的教授Ronald Walsworth的實驗室裡與博士後John Barry（現為麻省理工學院林肯實驗室的研究科學家）合作。
Schloss，Turner和Barry用4種不同的微波信號轟擊了一塊4毫米見方的小鑽石晶圓，每根微波信號都被調諧到監測特定的NV方向，並根據獨特的調頻（FM）模式抖動。然後，研究人員可以同時測量每個NV方向如何回應磁性的不同方向領域 -almost，好像他們是在一次聽四個調頻廣播電臺。這項工作在Physical Review Applied發表的一篇新論文中有所描述。
研究人員表示，新工具代表了早期技術的顯著改進，這需要研究人員經歷耗時的微波頻率切換過程，以監測不同方向的NV中心的響應。
“但是通過這種新方法，我們可以同時完成所有這些工作，”特納說。“舊的方式，對於速度緩慢的過程來說很好。但對於像激發神經元產生的生物磁場這樣的快速事物，我們需要做得更好，否則我們可能會錯過一些信息。”
“因此，當磁場發生變化時，我們會從鑽石中收集這些恆定的數據流，”Schloss補充道。“我們可以比收集它更快地處理它，因此我們可以實時檢測動態磁場的方向和振幅。”
該工具建立在Schloss，Turner，Barry等人之前的工作基礎之上，這些工作使用鑽石中心來檢測海洋蠕蟲中的神經信號。
“這是原理的一個很好的證明。但是一個廣泛有用的神經科學工具應該與哺乳動物神經元相容，”Schloss說。“但這具有挑戰性，因為一系列發射神經元會產生朝向各個方向的磁場。這種技術解決了神經元磁感應和其他未來應用的問題。”
Schloss和Turner表示，NV中心非常適合這項任務，其中一個原因與它們在鑽石晶格中的排列方式有關。
“如果你拿鑽石，當你用一個氮原子取代一個碳原子和一個有空位的相鄰碳時，你會得到一個NV中心，”Schloss說。“在晶格中，每個原子都連接到另外四個原子，因此有四個可能的NV方向，每個方向對指向該方向的磁場最敏感。因此，通過使用所有四種類型的NV，您可以找出哪個磁場指向的方向。”
測量那些不同方向的NV中心檢測到的磁場說起來容易做起來難。新系統包括將金剛石晶片放置在實驗室產生的磁場中，然後在其上照射激光，使材料發出熒光。由於NV中心響應磁場的變化以及特殊的FM微波信號模式，NV熒光的亮度以明顯的方式變化。通過跟蹤這些變化，研究人員可以創建磁場的三維圖像。
“靜態場是與各種NV方向相互作用的，”特納說。“當我們解調微波信號時，我們可以檢測到每個微波信號的信號。”
“這是創新 - 同時使用四個FM微波音調，”Schloss補充道。“現在，我們可以同時測量所有四個NV方向，並比以前更快地確定磁場，就像一次收聽四個調頻廣播電臺並讓一切都有意義。”
Schloss說，儘管這項技術尚未用哺乳動物神經元進行證實，但該研究是一種有朝一日可以廣泛應用的工具概念的重要證明。
“我們喜歡這個問題，因為它廣泛適用，而且它實際上只是對人們已經在做的事情的一次小的實驗升級，”她說。“我們希望這可以在生物學，凝聚態物理學和其他地方廣泛採用。”
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