Сенсор магнитного поля для кардиолога
Разработан новый микродатчик слабых магнитных полей, способный уловить магнитное поле сердца.
Регистрировать и измерять магнитное поле необходимо в совершенно разных областях человеческой деятельности: хранении информации, геологоразведке, медицине и т.д. В некоторых случаях, например, при магнитокардиографии – исследовании деятельности сердца по его магнитному полю, возникающему из-за биоэлектрических процессов, и магнитотомографии приходится иметь дело с очень слабыми магнитными полями, в миллион раз меньше магнитного поля Земли.
В настоящее время самыми чувствительными и надёжными сенсорами магнитного поля служат сверхпроводящие квантовые устройства СКВИД, требующие для своей работы охлаждения до крайне низких температур, порядка 4 К (–269 градусов Цельсия). Помимо сложностей в обеспечении их работы, они имеют ещё один недостаток – довольно большие размеры, из-за чего их трудно нацелить на определённую точку, или, как говорят специалисты, локализовать.
Физики МГУ им. М. В. Ломоносова в сотрудничестве с БФУ им. И. Канта и Toyohashi University of Technology (Япония) разработали новый магнитооптический метод детектирования слабых магнитных полей с использованием так называемого магнитоплазмонного кристалла. Результаты работы они опубликовали в журнале Scientific Reports (Nature Publishing Group).
Магнитооптические методы измерения магнитных полей применяются достаточно давно, но в основном для измерения сильных и сверхсильных магнитных полей из-за слабости всех магнитооптических эффектов, в частности, магнитооптического эффекта Керра. Он заключается в том, что линейно поляризованный свет при отражении от поверхности намагниченного материала приобретает эллиптическую поляризацию. Это приводит к тому, что намагниченность меняет коэффициент отражения света и его фазу.
С точки зрения рассматриваемой задачи методы измерения магнитного поля, использующие световое излучение, имеют важное достоинство, – они дают возможность достаточно точно задать область измерений размером примерно 100 на 100 микрометров (миллионных долей миллиметра). Оставалось только повысить чувствительность датчика.
Последние 10 лет в нанофотонике активно развивается направление, связанное с исследованиями магнитоплазмонных кристаллов. Магнитоплазмонный кристалл — это структура, состоящая из нескольких слоёв различных материалов, в том числе благородных металлов (серебро, золото) и ферромагнетиков, нанесённых на волнообразную основу. Её особенность в том, что при определённых условиях на границе между слоями металла и диэлектрика лазерным светом можно создать особую электромагнитную волну (плазмон-поляритон), которую можно использовать в различных целях, в том числе и для усиления магнитооптических эффектов.
Идея применить магнитоплазмонные кристаллы с усиленным магнитооптическим эффектом для детектирования магнитных полей родилась у авторов работы еще несколько лет назад. Основная проблема, которую им пришлось решать, – это возможность измерения постоянного магнитного поля, поскольку магнитооптический эффект Керра как правило, измеряется в переменном магнитном поле. Пока разработаны лишь принципы метода, а не готовое устройство.
Исследователи экспериментально доказали, что такие магнитоплазмонные кристаллы способны усилить магнитооптический эффект Керра более чем в 10 раз для определенных длин волн оптического излучения. Это позволяет достичь чувствительности сенсора по напряжённости магнитного поля порядка 10–6 эрстед, в воздухе это соответствует магнитной индукции примерно 10–10 Тл (сравнение этой величины с магнитными полями разного происхождения показано на рисунке). Таким образом, предложенная методика занимает промежуточное положение между сенсорами на эффекте Холла и СКВИД по чувствительности и локализации измерения магнитного поля.
По материалам пресс релиза МГУ
1 мая 2020
