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奈米鑽石可作為磁場感應器

美國科學家研發出一種新的電子自旋共振技術,利用了奈米鑽石與雷射來測量液體環境中的局部磁場。此方法可望用來監控發生於流體內的諸多現象,譬如生物細胞內的反應,或用來研究電化學電池等元件,甚至有可能藉此對腦神經周圍的電磁場進行造影。

鑽石內所謂的氮-空缺中心(nitrogen-vacancy center)由於在室溫環境下仍具有長的自旋同調時間(spin coherence time),因此可以應用在許多量子力學應用中。同調時間長代表缺陷中的量子自旋可以在原先的狀態維持較久才產生翻轉,這項特性使資訊得以可靠地讀出,並在有需要時重新初始化。因此,此類結構可作為量子探針用來偵測周遭的磁場。

最近,加州大學聖塔芭芭拉分校的David Awschalom等人以光鑷夾(optical tweezer)侷限住奈米鑽石,並測量鑽石內部氮-空缺中心的電子自旋共振。光鑷夾在1970年代由貝爾(Bell)實驗室的Arthur Ashkin所發明,目前已為全球科研界廣泛採用。聖塔芭芭拉團隊利用單一雷射光束將奈米鑽石之類的介電粒子牽引向光束聚焦處,這些粒子被侷限在焦點上,達成光學懸浮(optical levitation)及光學捕捉(optical trapping)。Awschalom表示,透過在流體環境中移動雷射光的焦點,他們能利用此全光學技術將粒子以奈米級的精準度放置於樣本中任意處。此方法可望應用於次微米生物物理系統中以進行感測、追蹤以及標記等功能。

該團隊使用的是粒徑100 nm且含有超過500個氮-空缺中心的奈米鑽石。他們使用電子自旋共振來測量這些氮-空缺中心的能階結構。磁場引發的黎曼(Zeeman)效應會造成氮-空缺中心的自旋能階偏移,因此可以利用此效應來觀察磁場。Awschalom指出,能夠利用雷射將奈米鑽石感應器控制在流體中任意位置以測量該處的局部磁場,可能具有多重應用價值,例如讓人們更佳瞭解生物細胞過程、電化學電池、表面催化作用以及脂膜等,同時也提供了一個為重要生物與化學結構造影的新方法。

該團隊表示他們對於功能化奈米鑽石亦感到興趣。利用微流體通道內的功能化奈米鑽石結合光學捕捉與電子自旋共振,可望完全發揮奈米鑽石感知技術的應用潛力。詳見PNAS|DOI: 10.1073/pnas.1211311109。

資料來源:Nanodiamonds make magnetic field sensors. NanoTech.org [Sep 3, 2012]

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝

轉載自 奈米科學網

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