เทคโนโลยี

เครื่องวัดสนามแม่เหล็ก NV-center เป็นเครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กเชิงควอนตัม มีความไวสูง ขนาดกะทัดรัด และทนทาน ความสามารถเฉพาะตัวของเซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถนำไปสู่การใช้งานที่มีประสิทธิภาพและพลิกโฉมวงการได้

เครื่องวัดสนามแม่เหล็กของ NV-center วัดสนามแม่เหล็กโดยใช้อิเล็กตรอนที่ถูกกักไว้ภายในเพชรขนาดเล็ก โดยใช้หลักการของแม่เหล็กควอนตัมซึ่งเป็นคุณสมบัติเฉพาะของอนุภาคพื้นฐานบางชนิด เช่น อิเล็กตรอน แม่เหล็กควอนตัมเชิงกลนี้เรียกว่า “สปิน”

ในการสร้างแมกนีโตมิเตอร์แบบ NV-center นักวิทยาศาสตร์เริ่มต้นด้วยการสร้างข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกคาร์บอนที่มีระยะห่างสม่ำเสมอ ความหนาแน่นของข้อบกพร่องและองค์ประกอบทางเคมีที่ก่อให้เกิดข้อบกพร่องเหล่านั้นทำให้เพชรมีสีที่เป็นเอกลักษณ์ ข้อบกพร่องเหล่านี้มักถูกเรียกว่า "ศูนย์สี" ศูนย์สี "ไนโตรเจน-ช่องว่าง" หรือ NV center คือข้อบกพร่องที่ประกอบด้วยอะตอมไนโตรเจนหนึ่งอะตอมที่เข้ามาแทนที่อะตอมคาร์บอนในโครงสร้างเพชร และช่องว่างที่อยู่ติดกันซึ่งเป็นตำแหน่งที่อะตอมคาร์บอนหายไป

สปินของอิเล็กตรอนในศูนย์ NV สามารถอยู่ในสถานะพลังงานควอนตัมได้หลายสถานะ คล้ายกับระดับพลังงานควอนตัมของอิเล็กตรอนในอะตอม ความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะสปินสองสถานะใดๆ ขึ้นอยู่กับขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เพชรอยู่ ความไวต่อสนามแม่เหล็กนี้ทำให้ศูนย์ NV สามารถทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์แม่เหล็กได้

ในการทำการวัด นักวิทยาศาสตร์จะนำเพชรที่มีข้อบกพร่องที่ศูนย์กลาง NV ไปวางไว้ในสนามแม่เหล็กที่ต้องการ จากนั้นจึงฉายแสงสีเขียวไปที่เพชร แสงนี้จะทำให้ศูนย์กลาง NV เข้าสู่สถานะการหมุนควอนตัมที่แน่นอน และทำให้ศูนย์กลาง NV ปล่อยแสงสีแดงออกมา ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จะวัดได้โดยใช้โฟโตดีเทคเตอร์

ต่อไป นักวิทยาศาสตร์จะใช้พลังงานไมโครเวฟที่มีความถี่ต่างกันกับสปินของศูนย์ NV เมื่อพลังงานไมโครเวฟตรงกับช่วงพลังงานระหว่างสถานะสปิน ศูนย์ NV จะดูดซับพลังงานนั้นและเปลี่ยนสถานะสปิน การเปลี่ยนแปลงสถานะสปินนี้จะลดปริมาณแสงสีแดงที่ศูนย์ NV ปล่อยออกมา โดยการวัดพลังงานไมโครเวฟที่ทำให้สถานะสปินของศูนย์ NV เปลี่ยนแปลง ซึ่งเรียกว่าความถี่การเปลี่ยนสถานะ นักวิทยาศาสตร์สามารถกำหนดสนามแม่เหล็กได้

เครื่องวัดสนามแม่เหล็กแบบ NV-center สามารถสร้างได้โดยใช้ NV center เพียงตัวเดียวเพื่อความละเอียดเชิงพื้นที่สูงมาก หรือใช้ NV center หลายตัวเพื่อความไวต่อสนามแม่เหล็กสูง ความถี่การเปลี่ยนสถานะของ NV center ขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็ก ค่าคงที่ทางฟิสิกส์พื้นฐาน และค่าคงที่เฉพาะของเพชรเท่านั้น ดังนั้น เซ็นเซอร์จึงไม่จำเป็นต้องสอบเทียบ และสามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยังระบบหน่วยสากล (SI) ได้อย่างง่ายดาย

NIST มุ่งมั่นที่จะปรับปรุงหลายแง่มุมของเครื่องวัดสนามแม่เหล็กแบบ NV-center รวมถึงวิธีการอ่านค่าการวัดสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์ในปัจจุบันวัดสนามแม่เหล็กโดยการตรวจจับแสงสีแดงที่ NV center ปล่อยออกมา นักวิจัยของ NIST กำลังพัฒนาอุปกรณ์รุ่นใหม่ที่ใช้ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งเป็นการปล่อยอิเล็กตรอนจากวัสดุภายใต้การส่องสว่างด้วยแสง เพื่อทำการวัดสนามแม่เหล็กด้วย NV center และอ่านค่าด้วยระบบไฟฟ้า

ระบบตรวจจับแบบใหม่นี้จะแปลงสถานะการหมุนของอิเล็กตรอนในศูนย์กลาง NV ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าภายในเพชรโดยตรง นักวิจัยของ NIST จะออกแบบและผลิตอุปกรณ์และอิเล็กทรอนิกส์ตรวจจับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยแสงที่ทันสมัยที่สุด เพื่อเพิ่มความไวของอุปกรณ์และตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักอื่นๆ ให้สูงสุด ในขณะเดียวกันก็ลดการใช้พลังงาน น้ำหนัก และต้นทุน นอกจากนี้ ทีมงาน NIST จะพัฒนาและใช้การเรียนรู้ของเครื่องจักรเพื่ออ่านค่าจากเครื่องวัดสนามแม่เหล็กในศูนย์กลาง NV ให้เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

นักวิจัยของ NIST จะพัฒนาการวัดและมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติทางโครงสร้าง ทางแสง และการหมุนของเพชร ซึ่งจะช่วยลดช่องว่างด้านคุณภาพและความสม่ำเสมอระหว่างเพชรที่ผลิตโดยผู้จำหน่ายเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันกับเพชรที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในเซ็นเซอร์ นอกจากนี้ NIST จะทำการวัดการตอบสนองทางแม่เหล็กของเพชรจำนวนมากอย่างแม่นยำ เพื่อกำหนดความไม่แน่นอนระหว่างตัวอย่างสำหรับค่าคงที่เฉพาะของเพชรที่สำคัญที่เรียกว่า g-factor ซึ่งจะช่วยกำหนดความไม่แน่นอนของการวัดสนามแม่เหล็กที่ทำกับเพชรที่คล้ายกัน ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีนี้

ทีมงาน NIST จะศึกษาว่ากระบวนการแปรรูปวัสดุมีผลต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์อย่างไร และจะพัฒนาระเบียบปฏิบัติมาตรฐานสำหรับการแปรรูปวัสดุ

ข้อดีเหนือกว่าวิธีการที่มีอยู่เดิม

เครื่องวัดสนามแม่เหล็ก NV-center สามารถวัดความแรงของสนามแม่เหล็กได้หลากหลายช่วงอย่างง่ายดาย และแตกต่างจากเซ็นเซอร์แม่เหล็กควอนตัมประเภทอื่น ๆ ตรงที่สามารถวัดทิศทางของสนามได้ ไม่ใช่แค่ความแรงของสนามเท่านั้น

เครื่องวัดสนามแม่เหล็กของศูนย์ NV ยังมีความสามารถในการวัดสนามแม่เหล็กในช่วงความถี่ที่กว้าง ตั้งแต่สนามแม่เหล็กคงที่ไปจนถึงสนามแม่เหล็กที่สั่นด้วยความถี่ระดับกิกะเฮิร์ตซ์ ดังนั้น ศูนย์ NV จึงสามารถปรับเทียบสนามแม่เหล็กไมโครเวฟที่ใช้ในงานวัดสนามแม่เหล็กได้ด้วยตนเอง

แตกต่างจากเซนเซอร์ที่ใช้หลักการวงจรตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำมากและเซลล์ไออะตอม ซึ่งเป็นสองประเภทของเครื่องวัดสนามแม่เหล็กควอนตัมที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน ศูนย์ NV สามารถรับมือกับช่วงอุณหภูมิและความดันที่กว้างมาก ตั้งแต่ระดับเยือกแข็งไปจนถึงอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้อง และจากความดันสุญญากาศไปจนถึงระดับกิกะปาสคาล

เครื่องวัดสนามแม่เหล็กแบบ NV-center นั้นมีขนาดกะทัดรัดและทนทาน ทำให้สามารถใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมหลากหลาย รวมถึงสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นอกจากนี้ยังมีต้นทุนการใช้งานที่อาจถูกกว่าเครื่องวัดสนามแม่เหล็กควอนตัมแบบอื่น ๆ และเนื่องจากเพชรมีความทนทานสูงมาก เซ็นเซอร์ที่ทำจากเพชรจึงควรมีอายุการใช้งานยาวนาน

แอปพลิเคชัน

ความพยายามในปัจจุบันของ NIST มุ่งเน้นไปที่การใช้ข้อได้เปรียบเฉพาะตัวของศูนย์ NV เพื่อสร้างเทคโนโลยีใหม่สำหรับการนำทางที่แม่นยำ เครื่องวัดสนามแม่เหล็กในเครื่องบินหรือโดรนสามารถวัดสนามแม่เหล็กของเปลือกโลกได้ การวัดเหล่านั้นจะถูกนำไปเปรียบเทียบกับแผนที่แม่เหล็กที่ทราบแล้ว และรวมกับข้อมูลจากเซ็นเซอร์เฉื่อยบนตัวยานเพื่อกำหนดทิศทางการเดินทางของยาน

แตกต่างจากระบบระบุตำแหน่งด้วยดาวเทียม เช่น GPS ซึ่งอาจถูกปลอมแปลงหรือรบกวนได้ เซ็นเซอร์แม่เหล็กไม่พึ่งพาสัญญาณไฟฟ้าภายนอกและยากต่อการรบกวน ทำให้เป็นที่น่าสนใจสำหรับบริษัททางทหารและการบินที่ต้องการวิธีการนำทางสำรองในกรณีที่ GPS และระบบที่คล้ายกันถูกบุกรุก เครื่องวัดสนามแม่เหล็กชนิดอื่นยังไม่สามารถให้ความแม่นยำในการระบุตำแหน่งที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ แต่ความสามารถในการตรวจจับเวกเตอร์ของศูนย์ NV อาจทำให้พวกมันประสบความสำเร็จในสิ่งที่เทคโนโลยีอื่นยังทำได้ไม่ดีพอ