Ученые Университета ИТМО вот уже несколько лет работают над созданием сверхчувствительных датчиков для измерения сверхмалых магнитных полей, которые возникают, к примеру, в головном мозге. Эти датчики можно делать из компактных керамических резонаторов и ансамблей дефектов (NV-центров) в алмазе. Недавно физики опубликовали статью в журнале Review of Scientific Instruments, в которой описали новый более эффективный вариант антенны для таких измерительных приборов. Корреспондент ITMO.NEWS побеседовал с авторами работы и узнал, зачем измерять магнитное поле человеческого мозга, а также как это предлагается делать.

Алмаз. Источник: shutterstock.com

Сегодня для ученых не представляет никаких проблем измерить силу магнитного поля — для этого есть специальные приборы, называемые магнитометрами. Однако существуют очень слабые по своей мощности магнитные поля, точно измерить которые очень сложно. К примеру, такие поля возникают в результате работы нейронов в нашем мозгу. Между тем, существуют ситуации, когда необходимо точно детектировать магнитное поле «серого вещества».

«Это нужно, например, чтобы идентифицировать некоторые болезни: шизофрению, болезнь Альцгеймера, эпилепсию, когда идут нарушения магнитных полей в мозгу. В целом это помогает изучать мозг, а также визуализировать его работу», — рассказывает старший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Полина Капитанова.

Полина Капитанова

Существующие медицинские устройства, которые позволяют с высокой точностью вести такие исследования, имеют большие размеры и очень дороги. Ученые Университета ИТМО работают над тем, чтобы создать более дешевые и компактные аналоги. Некоторое время назад они уже опубликовали статью, в которой рассказывалось об антенне для таких датчиков, за прошедшее время физики улучшили свою разработку.

Алмаз, керамика и лазер

Ключевым элементом датчика должен стать микроскопический кубик алмаза со стороной около одного миллиметра. На атомарном уровне в этом кристалле должны быть незаметные глазу дефекты — электроны в этих местах оказываются чувствительны к воздействию электромагнитных полей даже самой небольшой мощности. Однако для получения информации одного алмаза мало, поэтому в системе есть еще микроволновая антенна, основным компонентом которой является компактный керамический резонатор.

«Мы разработали микроволновую антенну, которая благодаря циркулярной поляризации магнитного поля эффективно управляет спинами электронов в ансамбле дефектов в алмазе, увеличивает когерентность возбуждения спинов NV-центров, чтобы сигнал был хорошо читаемый», — рассказывает аспирант Университета ИТМО Виталий Ярошенко.

Установка. Фото предоставлено авторами статьи

Но это еще не все — электроны в дефекте алмаза улавливают магнитное поле, антенна позволяет им эффективно возбуждаться и давать хороший сигнал. Теперь необходимо как-то считать эту информацию. Здесь на помощь ученым приходит оптика. Алмаз накачивается зеленым лазером, что позволяет ему флуоресцировать, из-за возбужденного состояния электронов происходит сдвиг в спектре свечения, и оно становится красным. Размер этого сдвига и позволяет судить о силе воздействующего на алмаз поля.

«За счет того, что на ансамбль дефектов в алмазе наводится магнитное микроволновое поле с циркулярной поляризацией, мы повышаем эффективность манипуляции спинов дефектов почти в 1,5 раза, — объясняет Виталий. — Более того, микроволновое магнитное поле, которое мы создаем, обладает высокой однородностью, что позволяет увеличить размер алмаза, а следовательно, и эффективность датчика. Таким образом, наша антенна позволяет эффективнее управлять откликом ансамбля при меньших входных мощностях в сравнении с ее линейным аналогом».

Принцип работы разработанной антенны. Изображение предоставлено авторами статьи

Пока работы над созданием подобных датчиков продолжаются. Ученым удалось описать и экспериментально показать основные принципы их работы. Кстати, в будущем эти измерительные приборы смогут иметь применение не только в медицине — их можно будет использовать для измерения самых разных электромагнитных полей, в частности для определения силы поля, идущего от земли, что может помочь в создании навигационного оборудования нового поколения.

Исследования выполнены в рамках работы по гранту Российского научного фонда.

Константин Крылов

Редакция новостного портала