Gevoeliger gaat het niet: het meten van een magneetveld van een enkel elektron of proton op de schaal van enkele nanometers. De atomaire magnetometer die dr. Toeno van der Sar gaat bouwen moet dat kunnen.
Spingolf onder een diamant. (Beeld: Peter and Ryan Allen/Harvard University)
Van der Sar ontwikkelde de methode aan de universiteit van Harvard waar hij tot afgelopen zomer als postdoc werkte. Afgelopen zomer publiceerde hij het artikel ‘Control and local measurement of the spin chemical potential in a magnetic insulator’ in het tijdschrift Science. Daarin deed hij uit de doeken hoe hij erin geslaagd was om met een diamanten nanodraad atomaire magneetvelden te meten.
Onderzoek uniek in Europa
Eind augustus keerde hij terug bij de afdeling quantum nanoscience aan de faculteit Technische Natuurwetenschappen (TNW) waar hij in 2012 promoveerde. In de kelder is een laboratoriumruimte voor hem vrijgemaakt. Daarnaast is Van der Sar bezig om promovendi aan te trekken en om onderzoeksgelden te verwerven. Zijn onderzoek wordt uniek in Europa met een magnetometer die bij kamertemperatuur werkt, maar ook onder cryogene omstandigheden. De resolutie en gevoeligheid ter grootte van één enkele protonspin zijn ongeëvenaard. Bovendien kunnen er zowel statische velden gemeten worden als hoogfrequente velden tot in de gigahertz range. Nu al kan Van der Sar tal van toepassingen opnoemen.
De resolutie en gevoeligheid ter grootte van één enkele protonspin zijn ongeëvenaard
Zijn magnetische sensor zal als eerste ‘spingolven’ in kaart gaan brengen. Dat zijn golven in magnetische materialen die beschouwd worden als informatiedragers van de toekomst in de ‘spintronica’ als opvolger van de elektronica. Ook verwacht hij de spin te kunnen meten van bijvoorbeeld een gat in grafeen, dat mogelijk ooit als elementaire dataopslag gebruikt zal kunnen worden. Hij hoopt ook nieuw licht te kunnen werpen op elektronentransport. Elektrische stroom, zo vermoedt Van der Sar, zou wel eens veel kunnen lijken op een vloeistofstroom inclusief turbulentie en kolken (vortices). En dan komt er nog de mogelijkheid om stroomverdeling binnen elektronische schakelingen te kunnen meten. Loopt de stroom bijvoorbeeld door het midden van een geleider, of neemt het de buitenkant? En, is die kennis wellicht slim toe te passen?
NV-magnetometer
De methode dankt zijn naam ‘NV-magnetometer’ aan de samenstelling van een stikstofatoom (N) en een ‘gat’ (‘vacancy’ of V) in een diamantrooster. Zo’n koppel heeft een spin, met toestanden -1, 0 of +1, die door Van der Sar wordt ingezet als magnetometer op atomaire schaal. De energieniveaus van deze spintoestanden hangen namelijk af van het lokale magneetveld, en kunnen worden uitgelezen met een mix van groen laserlicht en microgolven die via kleine on-chip antennes naar het NV center worden geleid. Uit de microgolffrequentie die er in slaagt de spintoestand van het NV-centrum om te draaien volgt direct de sterkte van het lokale magneetveld. Het mooie is dat dit omdraaien van de NV-spin kan worden gedetecteerd via de unieke, spinafhankelijke optische luminescentie (in rood licht) van het NV center. Wordt ongetwijfeld vervolgd.
Meer informatie:
Nanometre-scale probing of spin waves using single electron spins, Nature, 29 oktober 2014
nature.com/articles/ncomms8886
Control and local measurement of the spin chemical potential in a magnetic insulator, Science, 14 juli 2017
Dr. Toeno van der Sar maakt in Delft een nieuwe start. (Foto: Jos Wassink)
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
j.w.wassink@tudelft.nl
Comments are closed.