Perspectivas para un sensor de campo magnético remoto totalmente óptico

Los cristales dopados con iones de tierras raras (RE) exhiben anchos de línea muy estrechos de transiciones ópticas. Los espectros de línea estrecha de los elementos RE triplemente ionizados cubren todo el rango visible e infrarrojo. Los materiales dopados con RE se utilizan ampliamente como medios láser, fósforos, centelleadores, en células solares, etc. Hoy en día, la termometría de luminiscencia basada en RE se está desarrollando con éxito, demostrando un amplio rango de temperatura de trabajo, alta sensibilidad térmica y resolución espacial.

En un campo magnético, algunas líneas espectrales se dividen y la magnitud del campo magnético se puede determinar midiendo esta división. Cuanto más estrechas sean las líneas, con mayor precisión se puede medir el campo magnético. Para realizar mediciones remotas, es necesario utilizar luminiscencia. Las líneas de luminiscencia más estrechas de cristales dopados con elementos de tierras raras requieren un equipo espectral de banda ancha de alta resolución especial para su detección y medición.

En un nuevo artículo publicado en Luz: ciencia y aplicacionescientíficos del Instituto de Espectroscopia de la Academia Rusa de Ciencias han desarrollado una configuración sensible basada en un espectrómetro de Fourier de vacío de alta resolución Bruker 125HR, para la detección de los espectros de luminiscencia excitados por un láser de diodo, incluso a temperaturas criogénicas (hasta 3,5 K) y en campos magnéticos de hasta 500 mT, en el rango espectral del infrarrojo al visible, con resolución de hasta 0,0006 cm^-1 (18 MHz). Usando esta configuración, estudiaron los espectros de luminiscencia de un cristal de fluoruro de litio e itrio dopado con holmio.

Se detectó una estructura hiperfina bien resuelta proveniente de la interacción de los electrones ópticos del ion holmio con el momento magnético de su núcleo. Los componentes hiperfinos individuales son tan estrechos como 0,002—0,003 cm^-1. Se dividen en un campo magnético aplicado al cristal, proporcionalmente a sus factores g. Se encontraron varias líneas de luminiscencia con longitudes de onda de telecomunicaciones (que caen en la ventana de transparencia de las fibras ópticas) y grandes factores g magnéticos (10-15).

Usando estas líneas, la fuerza de un campo magnético externo se puede detectar con una precisión de alrededor de 17 μT (en comparación con el campo magnético de la Tierra, que oscila entre 25 y 65 μT). También se puede determinar la dirección del campo magnético.

«Estas líneas de luminiscencia son prometedoras para crear sensores remotos de campo magnético que no requieren un campo magnético adicional constante o variable y/o un campo de microondas y son capaces de operar en una amplia gama de campos magnéticos medidos. Nuestros resultados allanan el camino para el desarrollo de un sensor de campo magnético para, por ejemplo, repetidores cuánticos instalados en una línea de comunicación cuántica extendida», dicen los investigadores. Para implementar un sensor práctico y conveniente, proponen utilizar un filtro de interferencia y un interferómetro de Fabry-Perot.

Otro hallazgo interesante de esta investigación es la posibilidad de evaluar la proporción de isótopos de litio en el cristal y las deformaciones de la red aleatoria (es decir, la calidad del cristal) mediante el análisis de espectros de luminiscencia de alta resolución.