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

• Autores: Juan Luis Sánchez Toural
• Directores de la Tesis: Daniel Granados Ruiz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 134
• Títulos paralelos:
  • Desarrollo de sensores cuánticos en diamánte sintético: Hacia un magnetoencefalógrafo portable
• Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Ángel Ramos Ruiz (presid.), Jorge Trasobares Sánchez (secret.), Alberto Corbi Bellot (voc.), Cristin Díaz Blanco (voc.), Javier Mínguez Zafra (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Materiales Avanzados y Nanotecnología por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Matemáticas
    • Ciencia de los ordenadores
      • Diseño de sistemas sensores
  • Física
    • Electromagnetismo
      • Magnetismo
    • Química física
      • Teoría cuántica
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de materiales
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    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

  • English

    A high-performance wearable sensor for measuring the electromagnetic activity generated by the human body could be very useful for certain fields of medicine, such as neurology or cardiology, by allowing its use in the natural environment of the subject. Furthermore, its applications outside of the medical field could also be impressive. Such a device does not currently exist since none of the technologies meets all the required characteristics. However, properly doped diamond crystals could offer us a new possibility. The physical properties of diamond crystals, such as color or electrical conductivity, can be controlled by impurities. In particular, when a diamond is doped with nitrogen and, under certain conditions, optically active nitrogenvacancy (NV ) centers can be induced. The center is a quantum spin system that enables, at room temperature, optical initialization and readout, and microwave coherent control, with applications in quantum information, quantum imaging and quantum sensing. Given the unprecedented multiple capabilities, brought together by these centers, in aspects such as their sensitivity, temporal and spatial resolution, miniaturization tolerance, operation in a wide range of temperatures, long spin coherence time, wide bandwidth and dynamic range, make it a perfect physical phenomenon for its application as a sensor. Specifically, and this is the main object of this doctoral thesis, as a sensor that allows wearable magnetoencephalography. In addition, the development of the material itself has been studied, creating color centers by ion irradiation and subsequent annealing from diamond samples. Irradiation causes damage to the crystalline structure of the diamond, generating vacancies, subsequent annealing allows its mobility so that, when combined with nitrogen atoms, they form nitrogen-vacancy couples that give the material the desired properties. This entire process has been studied in search of optimum the material. Finally, and to deepen the understanding of the properties of NV centers and how they are affected by their environment, like other centers or atoms in the lattice, the center has been studied using computational chemistry and its implementation using quantum computing