Japonští vědci vyvinuli senzor, který s minimálním teplem přesně detekuje magnetická pole srdce a mozku

Lidské tělo generuje extrémně slabá magnetická pole, která vznikají prouděním elektrických proudů v srdci, mozku a dalších tkáních. Tyto signály jsou využívány v magnetokardiografii a magnetoencefalografii k posouzení srdeční funkce a mozkové aktivity.

Lidské tělo generuje extrémně slabá magnetická pole, která vznikají prouděním elektrických proudů v srdci, mozku a dalších tkáních. Tyto signály jsou využívány v magnetokardiografii a magnetoencefalografii k posouzení srdeční funkce a mozkové aktivity. Detekce těchto polí je možná při pokojové teplotě pomocí diamantových senzorů obsahujících centra dusíkových vakancí (NV centra), kde je atom uhlíku nahrazen atomem dusíku sousedícím s prázdným místem v mřížce.

Konvenční senzory s NV centry však obvykle vyžadují lasery s výkonem v řádu wattů k detekci těchto biomagnetických polí, která jsou obvykle pod úrovní pikotesla. Takovéto vysoce výkonné lasery generují značné teplo, což omezuje, jak blízko může být senzor umístěn k biologické tkáni. Vzhledem k tomu, že biomagnetická pole s rostoucí vzdáleností rychle slábnou, je překonání tepelných problémů a výzvy blízkého umístění zásadní pro praktické biomagnetické snímání.

Výzkumný tým vedený profesorem Takayukim Iwasakim z Katedry elektrotechniky a elektroniky, Školy inženýrství, Institutu vědy v Tokiu v Japonsku, vyvinul diamantový kvantový magnetometr, který používá laser s nízkým výkonem pouhých 210 mW, světlo-zachycující diamantový vlnovod a kompaktní mikrovlnnou anténu. Nový senzor omezuje nárůst teploty na pouhých 13 K a umožňuje jeho umístění pouhé 2 mm od vzorku. To umožňuje biomagnetická měření z bezprostřední blízkosti bez ohrožení tepelné bezpečnosti.

Senzor funguje na principu Ramseyho interferometrie, při níž se kvantový spinový stav NV center vyvíjí mezi dvěma mikrovlnnými pulzy. Laserové pulzy inicializují a odečítají spinový stav, což umožňuje určit magnetické pole. Pro udržení vysoké citlivosti s nízkým výkonem laseru bylo nutné mnohem efektivněji využívat excitační světlo. Toho bylo dosaženo návrhem světlo-zachycujícího diamantového vlnovodu, který vede laserové světlo diamantem opakovaným úplným vnitřním odrazem. Díky tomu laserové světlo interaguje s mnohem větším počtem NV center, což produkuje mnohem silnější fluorescenci bez zvýšení výkonu laseru. Výsledkem je, že systém shromáždil přibližně 20 mW fluorescence z dopadajícího laserového výkonu 210 mW, což odpovídá účinnosti optické přeměny energie 9,5 %. Tato účinnost umožňuje senzoru pracovat s laserovými výkony přibližně 10krát nižšími než ty, které se obvykle používají pro biomagnetická měření.

Tento úspěch představuje významný krok k praktickým biomagnetickým měřením pomocí diamantových kvantových senzorů, neboť současně realizuje provoz při pokojové teplotě, nízkou produkci tepla a snímání na krátkou vzdálenost. Otevírá tak cestu k přesnější a bezpečnější diagnostice srdečních a mozkových funkcí.