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用于环境脑磁图的新型金刚石量子磁力仪

脑磁图 (MEG) 是一种生物医学成像技术，它使用非常灵敏的磁力计记录大脑神经元自然产生的电流产生的磁场，从而绘制大脑活动图 。目前，MEG 需要在磁屏蔽室进行作 。实现在正常环境下工作且不需要磁屏蔽的 MEG 是一个主要目标 。这将使日常诊断、脑机接口和脑功能基础研究成为可能 。

用于环境脑磁图的新型金刚石量子磁力仪

文章插图
使用具有氮空位 (NV) 中心的金刚石量子传感器的磁力仪是实现环境条件 MEG 的有希望的候选者 。这些传感器有望提供比传统厘米级 MEG 好得多的毫米级分辨率 。值得注意的是，NV 中心是金刚石结构中的缺陷，由空位旁边的氮原子取代碳原子组成 。测量具有 NV 中心的磁场的一种常用方法是连续波光学检测磁共振 (CW-ODMR) 。在这种方法中，使用连续微波场来纵 NV 中心的自旋态，同时用激光照射它们 。这种激光诱导荧光的强度根据外部磁场而变化 。通过测量这些荧光变化，可以检测和测量外部磁场 。与其他方法相比 ， 这种方法更简单、更容易，并且可以实现毫米级分辨率 。
基于这项技术，日本的一个研究小组在东京工业大学电气电子工程系副教授 Naota Sekiguchi 的带领下，最近开发出了一种新型灵敏的金刚石量子磁力仪 。Sekiguchi 详细解释道：“临床上可接受的 MEG 要求在合理的测量时间内，在 5-100 Hz 近直流频率范围内具有至少皮 (pT) 量级的灵敏度 。目前，金刚石磁力仪需要磁通集中器 (MFC) 来实现这种灵敏度 。然而，MFC 降低了磁力仪的固有空间分辨率 。此外 ， 对于 MEG ， 需要较短的测量距离，因为磁场的衰减会随着距离的增加而呈指数增加 。为了克服这些挑战 ， 我们设计了一种灵敏的基于 CW-ODMR 的金刚石磁力仪 。”他们的研究发表在《应用物理评论》杂志上 。
新型磁强计采用采用高压高温 (HPHT) 法制造的单晶金刚石 。在 HPHT 合成后，沿 (111) 晶面平行切割出一块晶体，使用电子束辐照在晶体中产生带负电的 NV 中心，然后在 1000 0 C下退火 。该 NV 中心集合被放置在传感器头中，设计为接近目标约一毫米，传感体积为 4 x 10 -3 mm 3 。该集合由波长为 532 纳米的线性偏振绿色激光激发，并使用高折射率半球形透镜来增强激光诱导荧光的收集效率 。
通过仔细调整实验条件，研究人员在没有 MFC 的情况下，在 5 至 100 Hz 的频率范围内实现了创纪录的 9.4 ± 0 . 1 pT Hz -1/2灵敏度 。此外，对 Allan 偏差的分析表明，磁强计可以测量低至 0.3 pT 的磁场 ， 并在长时间内保持出色的灵敏度 。此外 ， 其设计适用于实际应用，例如活体动物的 MEG 。
【用于环境脑磁图的新型金刚石量子磁力仪】本研究取得的高灵敏度标志着我们朝着实现毫米级分辨率的环境条件 MEG 迈出了重要一步 。展望未来，Sekiguchi 总结道：“未来，我们计划使用本研究开发的传感器测量动物的 MEG，并使用金刚石量子传感器实现 MEG 测量 。最终，我们的目标是实现无需磁屏蔽的 MEG 。”

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