Спе­ци­а­ли­сты Мос­ков­ско­го физи­ко-тех­ни­че­ско­го инсти­ту­та (МФТИ) и Инсти­ту­та радио­тех­ни­ки и элек­тро­ни­ки име­ни В.А. Котель­ни­ко­ва Рос­сий­ской ака­де­мии наук (ИРЭ РАН) пред­ста­ви­ли раз­ра­бот­ку, спо­соб­ную суще­ствен­но изме­нить под­хо­ды к реги­стра­ции сверх­сла­бых маг­нит­ных полей. Создан­ный ими детек­тор обла­да­ет уни­каль­ны­ми харак­те­ри­сти­ка­ми: тол­щи­на устрой­ства состав­ля­ет чуть более 100 нано­мет­ров, а его чув­стви­тель­ность поз­во­ля­ет фик­си­ро­вать маг­нит­ные сиг­на­лы, гене­ри­ру­е­мые жиз­не­де­я­тель­но­стью чело­ве­че­ско­го моз­га и серд­ца. Это дости­же­ние откры­ва­ет новые гори­зон­ты для меди­цин­ской диа­гно­сти­ки, кос­ми­че­ской свя­зи, систем бес­пи­лот­ной нави­га­ции и кван­то­вых технологий.

Физическая основа

И кон­струк­тив­ные особенности

В осно­ве ново­го маг­ни­то­мет­ра лежит тща­тель­но подо­бран­ная ком­би­на­ция мате­ри­а­лов. Клю­че­вы­ми эле­мен­та­ми кон­струк­ции высту­па­ют тон­кая плён­ка люте­ци­е­во­го желе­зо-гра­на­та (Lu3Fe5O12) и слой пла­ти­ны. Люте­ци­е­вый гра­нат, извест­ный сво­и­ми маг­ни­то­оп­ти­че­ски­ми свой­ства­ми и низ­кой зату­ха­ни­ем спи­но­вых волн, слу­жит актив­ной сре­дой. Пла­ти­но­вый слой выпол­ня­ет функ­цию пре­об­ра­зо­ва­те­ля маг­нит­ных сиг­на­лов в элек­три­че­ский ток бла­го­да­ря эффек­ту спи­но­во­го обна­ру­же­ния. Эта мно­го­слой­ная нано­струк­ту­ра обес­пе­чи­ва­ет эффек­тив­ное вза­и­мо­дей­ствие с внеш­ни­ми маг­нит­ны­ми поля­ми и их после­ду­ю­щую регистрацию.

Прин­цип дей­ствия устрой­ства осно­ван на явле­нии спи­но­вой Хол­ла эффек­ту в пла­тине. При попа­да­нии спи­но­во­го пото­ка, инду­ци­ро­ван­но­го в слое люте­ци­е­во­го гра­на­та внеш­ним маг­нит­ным полем, в пла­ти­но­вом слое воз­ни­ка­ет попе­реч­ное элек­три­че­ское напря­же­ние. Вели­чи­на это­го напря­же­ния про­пор­ци­о­наль­на интен­сив­но­сти реги­стри­ру­е­мо­го маг­нит­но­го поля. Дан­ная схе­ма поз­во­ля­ет достичь высо­кой чув­стви­тель­но­сти при мини­маль­ных раз­ме­рах сенсора.

Ключевое преимущество

Рабо­та при ком­нат­ной температуре

Одним из наи­бо­лее зна­чи­мых пре­иму­ществ раз­ра­бо­тан­но­го детек­то­ра явля­ет­ся его спо­соб­ность функ­ци­о­ни­ро­вать эффек­тив­но при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре. Этот фак­тор кар­ди­наль­но отли­ча­ет новое устрой­ство от суще­ству­ю­щих высо­ко­чув­стви­тель­ных маг­ни­то­мет­ров, таких как СКВИ­Ды (сверх­про­во­дя­щие кван­то­вые интер­фе­рен­ци­он­ные детек­то­ры), кото­рые тре­бу­ют охла­жде­ния до тем­пе­ра­тур жид­ко­го гелия. Необ­хо­ди­мость крио­ген­но­го обо­ру­до­ва­ния дела­ет тра­ди­ци­он­ные систе­мы гро­мозд­ки­ми, энер­го­за­трат­ны­ми и чрез­вы­чай­но доро­ги­ми, огра­ни­чи­вая их при­ме­не­ние спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ны­ми лабо­ра­то­ри­я­ми. Воз­мож­ность рабо­ты при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре – это не про­сто удоб­ство, а фун­да­мен­таль­ный сдвиг в тех­но­ло­ги­ях реги­стра­ции сла­бых маг­нит­ных полей. Он сни­ма­ет глав­ный барьер для мас­со­во­го внед­ре­ния высо­ко­точ­ной маг­ни­то­мет­рии в прак­ти­че­ские при­ло­же­ния, осо­бен­но в меди­цине и пор­та­тив­ных устройствах.

Перспективы

В меди­цин­ской диагностике

Наи­бо­лее оче­вид­ным и пер­спек­тив­ным направ­ле­ни­ем при­ме­не­ния ново­го детек­то­ра явля­ет­ся созда­ние ком­пакт­ных и отно­си­тель­но недо­ро­гих аппа­ра­тов для маг­нит­ной энце­фа­ло­гра­фии (МЭГ) и маг­ни­то­кар­дио­гра­фии (МКГ). Эти мето­ды диа­гно­сти­ки обла­да­ют зна­чи­тель­ны­ми пре­иму­ще­ства­ми перед широ­ко исполь­зу­е­мы­ми элек­тро­эн­це­фа­ло­гра­фи­ей (ЭЭГ) и элек­тро­кар­дио­гра­фи­ей (ЭКГ).

Прорыв в магнитометрии

ЭЭГ и ЭКГ реги­стри­ру­ют элек­три­че­ские потен­ци­а­лы на поверх­но­сти кожи или голо­вы. Одна­ко элек­три­че­ские сиг­на­лы силь­но иска­жа­ют­ся при про­хож­де­нии через тка­ни орга­низ­ма (кожа, череп, жиро­вая про­слой­ка), что сни­жа­ет точ­ность и про­стран­ствен­ное раз­ре­ше­ние мето­дов. Маг­нит­ные поля, гене­ри­ру­е­мые ней­рон­ной актив­но­стью моз­га или рабо­той сер­деч­ной мыш­цы, гораз­до мень­ше под­вер­же­ны иска­же­ни­ям со сто­ро­ны био­ло­ги­че­ских тка­ней. Они про­хо­дят сквозь них прак­ти­че­ски без ослаб­ле­ния, неся более точ­ную инфор­ма­цию о лока­ли­за­ции и харак­те­ре источ­ни­ков актив­но­сти. Ана­ло­гич­ные пре­иму­ще­ства демон­стри­ру­ет маг­ни­то­кар­дио­гра­фия по срав­не­нию с ЭКГ. МКГ поз­во­ля­ет выяв­лять мель­чай­шие ано­ма­лии в рабо­те серд­ца, такие как ише­ми­че­ские изме­не­ния на ран­них ста­ди­ях, арит­мии, нару­ше­ния про­во­ди­мо­сти, кото­рые могут быть не вид­ны на стан­дарт­ной ЭКГ. Это откры­ва­ет воз­мож­но­сти для более ран­ней и точ­ной диа­гно­сти­ки сер­деч­но-сосу­ди­стых заболеваний.

Широкий спектр промышленных применений

Поми­мо меди­ци­ны, тех­но­ло­гия на осно­ве ново­го маг­ни­то­мет­ра нахо­дит при­ме­не­ние в ряде дру­гих высо­ко­тех­но­ло­гич­ных отраслей:

  • Кос­ми­че­ская связь и навигация

Высо­ко­чув­стви­тель­ные маг­ни­то­мет­ры необ­хо­ди­мы для точ­но­го опре­де­ле­ния ори­ен­та­ции кос­ми­че­ских аппа­ра­тов в про­стран­стве, реги­стра­ции маг­нит­ных полей Зем­ли и дру­гих пла­нет, а так­же для созда­ния систем свя­зи с улуч­шен­ной поме­хо­устой­чи­во­стью. Ком­пакт­ность и низ­кое энер­го­по­треб­ле­ние ново­го детек­то­ра дела­ют его иде­аль­ным кан­ди­да­том для уста­нов­ки на малые спут­ни­ки (CubeSats) и меж­пла­нет­ные зонды.

  • Радар­ные систе­мы для бес­пи­лот­ных лета­тель­ных аппа­ра­тов (БПЛА)

В систе­мах авто­ном­ной нави­га­ции и предот­вра­ще­ния столк­но­ве­ний дро­нов маг­ни­то­мет­ры могут исполь­зо­вать­ся для обна­ру­же­ния и клас­си­фи­ка­ции объ­ек­тов, осо­бен­но в усло­ви­ях, где опти­че­ские систе­мы менее эффек­тив­ны (туман, дым­ка, ночь). Ком­пакт­ные дат­чи­ки поз­во­лят созда­вать более лёг­кие и энер­го­эф­фек­тив­ные радар­ные моду­ли, уве­ли­чи­вая вре­мя полё­та и гру­зо­подъ­ём­ность БПЛА.

  • Кван­то­вая элек­тро­ни­ка и спинтроника

Новый детек­тор, осно­ван­ный на спи­но­вых явле­ни­ях, сам по себе явля­ет­ся эле­мен­том спин­тро­ни­ки. Он может исполь­зо­вать­ся для иссле­до­ва­ния и раз­ра­бот­ки дру­гих спин­трон­ных устройств – памя­ти, логи­че­ских эле­мен­тов, сен­со­ров. Сов­ме­сти­мость с крем­ни­е­вы­ми тех­но­ло­ги­я­ми откры­ва­ет путь к инте­гра­ции таких дат­чи­ков непо­сред­ствен­но в полу­про­вод­ни­ко­вые мик­ро­схе­мы, созда­вая осно­ву для новых поко­ле­ний кван­то­вых сен­со­ров и процессоров.

  • Нераз­ру­ша­ю­щий кон­троль и дефектоскопия

Высо­кая чув­стви­тель­ность к локаль­ным маг­нит­ным полям поз­во­ля­ет исполь­зо­вать детек­тор для обна­ру­же­ния скры­тых дефек­тов (тре­щин, кор­ро­зии, нару­ше­ний струк­ту­ры) в метал­ли­че­ских кон­струк­ци­ях, тру­бо­про­во­дах, авиа­ци­он­ных ком­по­нен­тах. Ком­пакт­ные дат­чи­ки могут быть инте­гри­ро­ва­ны в мобиль­ные систе­мы кон­тро­ля, повы­шая их эффек­тив­ность и доступность.

Раз­ра­бот­ка ком­пакт­но­го высо­ко­чув­стви­тель­но­го маг­ни­то­мет­ра спе­ци­а­ли­ста­ми МФТИ и ИРЭ РАН пред­став­ля­ет собой зна­чи­мый шаг впе­рёд в обла­сти сен­сор­ных тех­но­ло­гий. Успеш­ное реше­ние про­бле­мы рабо­ты при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре без поте­ри чув­стви­тель­но­сти откры­ва­ет две­ри для созда­ния ново­го клас­са пор­та­тив­ных, доступ­ных и высо­ко­точ­ных устройств для реги­стра­ции сла­бых маг­нит­ных полей. Основ­ным драй­ве­ром ком­мер­ци­а­ли­за­ции тех­но­ло­гии ста­нет меди­цин­ский сек­тор, где потреб­ность в ком­пакт­ных МЭГ/​МКГ систе­мах огром­на. Дан­ная раз­ра­бот­ка не толь­ко демон­стри­ру­ет высо­кий уро­вень рос­сий­ских фун­да­мен­таль­ных и при­клад­ных иссле­до­ва­ний в обла­сти физи­ки кон­ден­си­ро­ван­но­го состо­я­ния и нано­тех­но­ло­гий, но и обла­да­ет реаль­ным потен­ци­а­лом для созда­ния кон­ку­рен­то­спо­соб­ных на миро­вом рын­ке про­дук­тов, спо­соб­ных при­не­сти суще­ствен­ную эко­но­ми­че­скую и соци­аль­ную пользу.

Tags:
,

Похожие посты