Jesteś tutaj

Czy diamenty mogą mierzyć pole magnetyczne?

Każdy zapewne słyszał o diamencie, najtwardszym znanym człowiekowi materiale w przyrodzie. Dzięki oszlifowaniu staje się on, tak pożądanym przez kobiety, brylantem. Oprócz radości sprawianej kobietom materiał ten ma także inne „praktyczniejsze” zastosowania: noże do cięcia szkła, elementy aparatury medycznej, detektory cząstek oraz proszki do szlifowania i polerowania innych kamieni szlachetnych. Jednym z jego najnowszych zastosowań jest wykorzystanie go do precyzyjnych pomiarów bardzo małych pól magnetycznych. Zastanawiacie się pewnie, jak brylant może mierzyć pole magnetyczne? O tym za chwilę. Najpierw jednak zastanówmy się skąd wziąć odpowiedni diament.

 

Doskonałość to sztuczność

Niestety diamenty naturalne występują bardzo rzadko, a ich wydobywanie to wielki przemysł wiążący się z ogromnym zniszczeniem środowiska. Dlatego też ludzie nauczyli się produkować sztuczne diamenty. Jak to zrobić? Przede wszystkim potrzebne są odpowiednie warunki, które występują w płaszczu Ziemi na głębokości około 150 kilometrów, tam gdzie powstają diamenty naturalne. Panują tam wysokie ciśnienia (około 7000 razy większe niż atmosferyczne), oraz wysokie temperatury (około 2500 stopni Celsjusza). W takich warunkach atomy węgla jeden po drugim łączą się ze sobą, tworząc w ten sposób najtwardszy materiał znany Naturze – diament. Hmm.. chwileczkę, atomy węgla? No cóż... diament to nic innego, jak specyficzna odmiana węgla, tego samego który znaleźć możemy na przykład w sadzy lub graficie. Atomy węgla zmuszone przez człowieka mogą również uformować tak pożądany diament. A jaka jest różnica między tym sztucznym a naturalnym? Jubiler by powiedział, że  "Sztuczny nie ma tego czegoś,  co sprawia, że jest wyjątkowy”. Szczegółowe badania pokazują jednak, że sztuczne diamenty są bardziej idealne niż naturalne, a ich struktura jest niemal perfekcyjna. Ale najważniejsze jest to, że przy produkcji sztucznych diamentów możemy lekko zmieniać ich skład chemiczny.

Więcej barw!

Aby nasz sztuczny diament mógł mierzyć pole magnetyczne potrzebuje jeszcze czegoś. Tym tajemniczym "czymś" są uszkodzenia w uporządkowanej sieci atomów węgla, zwane centrami barwnymi. Centra barwne wytwarzamy zastępując jeden atom węgla atomem azotu, jednocześnie usuwając inny sąsiedni atom węgla. Fizycy najczęściej oznaczają je symbolem NV (z ang. Nitrogen-vacancy center). By coś takiego zrobić trzeba nasz diament podgrzewać przez parę godzin w temperaturze około 1000 stopni Celsjusza oraz bombardować elektronami. Bombardujemy, aby powybijać z sieci atomy węgla, tworząc ubytki. Proces podgrzewania powoduje zaś wędrówkę owych pustych miejsc, umożliwiając spotkanie z atomami azotu, które są obecne w diamentach, jako zanieczyszczenia.

Centrum barwne w diamencie zachowuje się jak nowy atom. Gdy oświetlimy je zielonym światłem laserowym, zaczyna świecić na czerwono. Proces ten nazywa się fluorescencją, a intensywność światła czerwonego informuje nas jak dużo centrów barwnych udało nam się wytworzyć. By przy pomocy tego efektu móc użyć diamentu jako czujnika pola magnetycznego, potrzebujemy jeszcze drucika umieszczonego przy powierzchni, który służy jako antena dla fal radiowych, a dokładnie mikrofal (takich samych jak kuchence mikrofalowej w domu).

Nasza antena może aplikować mikrofale w głąb diamentu, zmieniając sposób w jaki centra barwne w diamencie reagują na zielone światło. Dodatkowo zmiany w sposobie świecenia pod wpływem mikrofal bardzo mocno zależą od pola magnetycznego, które otacza naszą próbkę. Stąd już prosta droga do mierzenia pola magnetycznego. W praktyce pomiar taki polega na obserwowaniu różnic w intensywności czerwonego światła wysyłanego przez diamentowy miernik.

Ten oto przepis pozwala nam, na zbudowanie magnetometru z diamentu.

Dodatkowo jeszcze filmik pokazujący jak w rzeczywistości wygląda jedno z takich diamentowych laboratoriów i jak czułe magnetometry można zbudować - człowiek na filmie trzyma w ręku zwykły magnes, którego ruch ma wpływ na rejestrowany diamentowy sygnał.

 

 

Więcej informacji:

 

  • Obrazek użytkownika Mariusz Mrózek
    O autorze:

    Mariusz Mrózek

    Doktorant w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego, zajmuje się optyką kwantową i magnetometrią. Autor wpadł do nas tylko na jednego... fiztaszka.

Dodaj komentarz