Development of a quantum sensor using synthetic diamonds. Towards a wearable magnetoencephalograph

Resum

Un sensor portátil de alto rendimiento para medir la actividad electromagnética generada por el cuerpo humano podría ser de gran utilidad para determinados campos de la medicina, como la neurología o la cardiología, al permitir su uso en el entorno natural del sujeto. Además, sus aplicaciones fuera del campo médico podrían ser impresionantes. Tal dispositivo no existe actualmente ya que ninguna de las tecnologías cumple con todas las características requeridas. Sin embargo, los cristales de diamante debidamente dopados, podrían ofrecernos una nueva posibilidad. Las propiedades físicas de los cristales de diamante, como el color o la conductividad eléctrica, pueden controlarse mediante impurezas. En particular, cuando un diamante está dopado con nitrógeno bajo ciertas condiciones, pueden inducirse centros de color (centro NV o centro nitrógeno-vacante) ópticamente activos. El centro es un sistema de espín cuántico que permite, a temperatura ambiente, inicialización y lectura ópticas, así como un control coherente mediante microondas, con aplicaciones en información cuántica, imagen y sensórica cuánticas. Dadas las múltiples capacidades sin precedentes que reúnen estos centros, en aspectos como sensibilidad, resolución temporal, resolución espacial, tolerancia a la miniaturización, operación en un amplio rango de temperaturas, tiempo de coherencia, ancho de banda y rango dinámico, lo convierten en un fenómeno físico perfecto para su aplicación como sensor. En concreto, y este es el objeto principal de esta tesis doctoral, como un sensor que permite la magnetoencefalografía portatil. Además de la magnetometría, se ha estudiado el desarrollo del propio material, creando centros de color mediante irradiación con iones y posterior recocido a partir de muestras de diamantes. La irradiación produce daños en la estructura cristalina del diamante, generando vacantes, el recocido posterior permite la difusión de las vacantes que, al combinarse con átomos de nitrógeno, forman las parejas nitrógeno-vacante que otorgan al material las propiedades deseadas. Todo este proceso ha sido estudiado en busca de optimizar el material. Finalmente, y para profundizar en la comprensión de las propiedades de los centros NV y cómo se ven afectados por su entorno, al igual que otros centros o átomos en la red, se ha estudiado el centro mediante química computacional y su implementación mediante computación cuántica