Investigadores del MIT han desarrollado un nuevo detector de campos magnéticos ultrasensible, 1.000 veces más eficiente energéticamente que sus predecesores. Podría dar lugar a dispositivos miniaturizados y alimentados por baterías para la obtención de imágenes médicas y de materiales, la detección de contrabando e incluso la exploración geológica.
Los detectores de campos magnéticos, o magnetómetros, ya se utilizan para todas esas aplicaciones. Pero las tecnologías existentes tienen inconvenientes: algunas dependen de cámaras llenas de gas; otras solo funcionan en bandas de frecuencia estrechas, lo que limita su utilidad.
Los diamantes sintéticos con vacantes de nitrógeno (NV) —defectos extremadamente sensibles a los campos magnéticos— llevan mucho tiempo considerándose prometedores como base de magnetómetros portátiles y eficientes. Un chip de diamante de aproximadamente una vigésima parte del tamaño de una uña del pulgar podría contener billones de vacantes de nitrógeno, cada una capaz de realizar su propia medición del campo magnético.
El problema ha sido agregar todas esas mediciones. Para sondear una vacante de nitrógeno hay que irradiarla con luz láser, que absorbe y vuelve a emitir. La intensidad de la luz emitida contiene información sobre el estado magnético de la vacante.
«En el pasado, solo se utilizaba una pequeña fracción de la luz de bombeo para excitar una pequeña fracción de las NV», afirma Dirk Englund, profesor adjunto de desarrollo profesional Jamieson de Ingeniería Eléctrica e Informática y uno de los diseñadores del nuevo dispositivo. «Utilizamos casi toda la luz de bombeo para medir casi todas las NV».
Los investigadores del MIT presentan su nuevo dispositivo en el último número de Nature Physics. La primera autora del artículo es Hannah Clevenson, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica, que tiene como asesores a los autores sénior Englund y Danielle Braje, física del Laboratorio Lincoln del MIT. También participan Matthew Trusheim y Carson Teale, estudiantes de Englund (este último también trabaja en el Laboratorio Lincoln), y Tim Schröder, investigador posdoctoral del Laboratorio de Investigación en Electrónica del MIT.
Una ausencia reveladora
Un diamante puro es una red de átomos de carbono, que no interactúan con los campos magnéticos. Una vacante de nitrógeno es un átomo que falta en la red, junto a un átomo de nitrógeno. Los electrones de la vacante sí interactúan con los campos magnéticos, por lo que son útiles para la detección.
Cuando una partícula de luz —un fotón— golpea un electrón en una vacante de nitrógeno, lo impulsa a un estado de mayor energía. Cuando el electrón vuelve a su estado energético original, puede liberar su exceso de energía en forma de otro fotón. Sin embargo, un campo magnético puede invertir la orientación magnética del electrón, o espín, aumentando la diferencia entre sus dos estados energéticos. Cuanto más intenso es el campo, más espines invierte, lo que modifica el brillo de la luz emitida por las vacantes.
Para realizar mediciones precisas con este tipo de chip hay que recoger tantos fotones como sea posible. En experimentos anteriores, explica Clevenson, los investigadores solían excitar las vacantes de nitrógeno dirigiendo luz láser hacia la superficie del chip.
«Solo se absorbe una pequeña fracción de la luz», afirma. «La mayor parte simplemente atraviesa el diamante. Obtenemos una enorme ventaja al añadir esta faceta prismática en la esquina del diamante y acoplar el láser por un lateral. Toda la luz que introducimos en el diamante puede absorberse y resulta útil».
Cubrir todos los frentes
Los investigadores calcularon el ángulo con el que debía entrar el haz láser en el cristal para que permaneciera confinado, rebotando en los lados —como una bola blanca incansable que rebota por una mesa de billar— en un patrón que abarca el largo y el ancho del cristal antes de que se absorba toda su energía.
«Se puede alcanzar una longitud de trayectoria cercana a un metro», afirma Englund. «Es como si se tuviera un sensor de diamante de un metro de largo enrollado en unos pocos milímetros». Como consecuencia, el chip aprovecha la energía del láser de bombeo con una eficiencia 1.000 veces mayor que la de sus predecesores.
Debido a la geometría de las vacantes de nitrógeno, los fotones reemitidos salen en cuatro ángulos distintos. Una lente en un extremo del cristal puede recoger el 20 por ciento de ellos y enfocarlos en un detector de luz, lo que basta para obtener una medición fiable.
«Es muy agradable trabajar con los centros NV», afirma Frank Narducci, físico del Mando de Sistemas Aéreos Navales de Estados Unidos. «Solo se tiene esta pequeña muestra de estado sólido. No hay que hacerle nada. No hay que ponerla al vacío. No hay que enfriarla criogénicamente. Para excitarlos, basta con usar un láser verde: un puntero láser es suficiente. No hace falta nada especialmente sofisticado en cuanto a láseres estabilizados».
«Lo interesante de esto es que utilizan la propia muestra como una especie de guía de ondas para hacer rebotar la luz», continúa. «Su muestra es bastante pequeña. Como el láser no tiene que ser especialmente especial, también podría ser pequeño. Así que cabe imaginar magnetómetros muy pequeños. Y, en consecuencia, se podrían fabricar a un precio muy bajo».
«Desde la perspectiva de la Armada», añade, «hablamos mucho de magnetómetros desechables, con los que uno podría sobrevolar una zona del océano y querer tomar algunas mediciones, así que simplemente arrojaría un puñado de estos dispositivos. Si se consigue un magnetómetro de muy alta sensibilidad y realmente barato, esa sería una aplicación muy buena para él».
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Larry Hardesty es colaborador invitado de MIT News.
Imagen: En esta imagen, la luz láser entra en un diamante sintético por una faceta situada en una esquina y rebota dentro del diamante hasta agotar su energía. Esto excita las «vacantes de nitrógeno», que pueden utilizarse para medir campos magnéticos. Imagen: H. Clevenson/MIT Lincoln Laboratory
