Các nhà khoa học Đức vừa giới thiệu một loại cảm biến lượng tử mới dựa trên kim cương, mở ra triển vọng giúp người bị liệt điều khiển bộ khung xương robot chỉ bằng tín hiệu từ não bộ.
Được phát triển bởi nhóm nghiên cứu tại Viện Fraunhofer về Vật lý chất rắn ứng dụng IAF ở thành phố Freiburg im Breisgau, Đức, cảm biến sử dụng hệ thống laser để phát hiện những từ trường cực yếu với độ nhạy cao. Thiết bị đạt độ tương phản quang học 100%, đồng thời cải thiện tới 590 lần sự cân bằng giữa độ nhạy và phạm vi đo so với các công nghệ hiện có.
Nghiên cứu do Tiến sĩ Jan Jeske, nhà khoa học tại Fraunhofer IAF, dẫn dắt. Ông hiện đứng đầu Nhóm nghiên cứu Cảm biến lượng tử tại viện. Khoảng một thập kỷ trước, Jeske là người đầu tiên xây dựng mô hình lý thuyết về hệ thống laser nhạy với từ trường sử dụng kim cương chứa các tâm khuyết tật nitơ - chỗ trống (NV).
“Tôi rất vui khi giờ đây chúng tôi đã chứng minh được bằng thực nghiệm sự dịch chuyển của ngưỡng phát laser phụ thuộc vào từ trường”, ông Jeske cho biết.
Công nghệ này có thể được ứng dụng trong giao diện não - máy tính, xét nghiệm y khoa, hệ thống định vị và thăm dò tài nguyên.
Phát hiện những từ trường cực yếu
Các cảm biến có khả năng phát hiện từ trường rất yếu thường bị giới hạn về phạm vi đo. Trong khi đó, những thiết bị có phạm vi đo rộng hơn lại thường kém nhạy hơn. Để giải quyết sự đánh đổi này, nhóm nghiên cứu phát triển kỹ thuật mang tên đo từ trường bằng ngưỡng laser (laser threshold magnetometry).
Kỹ thuật này dựa trên các tâm NV, về bản chất là những khuyết tật cực nhỏ bên trong tinh thể kim cương có khả năng phản ứng với từ trường. Một tâm NV hình thành khi một nguyên tử nitơ thay thế nguyên tử carbon trong cấu trúc kim cương, đồng thời để lại một vị trí trống ở nguyên tử lân cận.
Các cảm biến lượng tử kim cương thông thường đo ánh sáng huỳnh quang phát ra từ những khuyết tật này. Công nghệ mới có cách tiếp cận khác: đặt viên kim cương trực tiếp vào bên trong khoang cộng hưởng laser.
Tại đây, các tâm NV tương tác với trường ánh sáng của laser, khiến những thay đổi của từ trường tác động đến đầu ra của hệ thống. Trong một số điều kiện nhất định, những thay đổi này thậm chí có thể khiến laser tắt hoàn toàn, tạo ra độ tương phản quang học đạt 100%.
Để so sánh, các cảm biến từ trường sử dụng tâm NV hiện nay thường chỉ đạt độ tương phản ở mức vài phần trăm.
Hệ thống mới có thể tạo ra tín hiệu laser với công suất lên tới 50 milliwatt (mW), mạnh hơn đáng kể so với tín hiệu từ các cảm biến thông thường.
Ứng dụng trong đời sống thực tế
Các tính toán cho thấy công nghệ này có thể phát hiện những từ trường cực yếu. Trong điều kiện lý tưởng, khi giới hạn độ nhạy được xác định bởi nhiễu lượng tử do tính chất rời rạc của photon, hệ thống có thể đạt độ nhạy dưới 400 femtotesla (fT) trên căn bậc hai của hertz (Hz) đối với từng thành phần trong ba thành phần của từ trường.
Theo nhóm nghiên cứu, ngoài việc nâng cao khả năng đo từ trường, phát hiện này còn có thể mang lại lợi ích cho những người bị liệt. Trong tương lai, các tín hiệu từ não có thể được truyền qua giao diện não - máy tính để điều khiển bộ khung xương robot, hỗ trợ người dùng thực hiện những chuyển động mà họ không thể tự thực hiện bằng cơ bắp.
Những ứng dụng tiềm năng khác gồm phát hiện tín hiệu từ trường yếu phát ra từ tim và cơ bắp, cải thiện khả năng định vị và xác định các dị thường từ tính dưới lòng đất.
Tuy nhiên, công nghệ vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chưa được kiểm nghiệm trong các ứng dụng thực tế nói trên.
“Phương pháp của chúng tôi có thể giải quyết sự đánh đổi vốn hạn chế quá trình phát triển và ứng dụng cảm biến từ trường trong thời gian dài”, Tiến sĩ Florian Schall, nhà nghiên cứu tại Fraunhofer IAF và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu, cho biết trong thông cáo báo chí.
“Công nghệ này có thể mở đường cho một thế hệ cảm biến từ trường di động mới với độ nhạy cao”, ông nói thêm.
Theo IE
