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FISICA/ La luce laser rimbalza nel diamante e attiva il sensore magnetico

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La luce laser rimbalza nel diamante sintetico (credit: H. Clevenson/MIT Lincoln Laboratory)  La luce laser rimbalza nel diamante sintetico (credit: H. Clevenson/MIT Lincoln Laboratory)

Bisogna ricordare che un diamante puro è un reticolo di atomi di carbonio che non interagiscono con i campi magnetici. Una azoto-lacuna è un atomo mancante nel reticolo, adiacente a un atomo di azoto: gli elettroni del posto vacante interagiscono con i campi magnetici ed è per questo che sono utili per il rilevamento. Quando una particella di luce - un fotone - colpisce un elettrone in un NV, lo porta a uno stato energetico superiore; quando poi l'elettrone ricade nel suo stato energetico originale, esso può rilasciare la sua energia in eccesso sotto forma di un altro fotone. Un campo magnetico, tuttavia, può capovolgere l’orientamento magnetico dell'elettrone, cioè lo spin, aumentando la differenza tra i suoi due stati energetici. Più forte è il campo, più capovolgimenti potrà compiere, cambiando la luminosità della luce emessa dalle lacune.

Fare misure accurate con questo tipo di chip richiede di raccogliere quanti più fotoni possibile. In precedenti esperimenti i ricercatori spesso eccitavano le NVs indirizzando luce laser sulla superficie del chip. Così però solo una piccola frazione della luce viene assorbita: la maggior parte di essa passa diritta attraverso il diamante. I fisici del MIT hanno ottenuto un enorme vantaggio aggiungendo un prisma all'angolo del diamante e accoppiandolo al laser: così tutta la luce immessa nel diamante può essere assorbita e diventare utile. 

I ricercatori hanno calcolato l'angolo col quale il fascio laser deve entrare nel cristallo in modo da restare confinato, rimbalzando sui lati - come una pallina elastica dai bordi di un tavolo da biliardo – secondo una configurazione che si espande in lunghezza e larghezza nel cristallo prima che tutta la sua energia venga assorbita. Come ha dichiarato Englund «è possibile arrivare quasi a un metro di lunghezza del percorso: è come avere un sensore di diamante di un metro di lunghezza impacchettato in un paio di millimetri. Di conseguenza, il chip utilizza l’energia della pompa laser in modo mille volte più efficiente di quanto sia stato fatto finora».

A causa della geometria delle azoto-lacune, i fotoni riemessi emergono in quattro angoli distinti. Una lente a un'estremità del cristallo può raccoglierne il 20% e concentrarli su un rivelatore di luce, il che è sufficiente a produrre una misura affidabile.

Tutto ciò avviene con un sistema relativamente semplice e facile da realizzare: basta un piccolo campione a stato solido, non serve metterlo nel vuoto e non è necessario raffreddarlo criogenicamente; e per l’eccitazione, si può semplicemente utilizzare un laser verde, può andar bene anche un normale un puntatore laser. Con evidenti vantaggi, anche economici.



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