Прибор миелофон из произведений Кира Булычева был основан на чрезвычайно редких кристаллах и позволял читать мысли окружающих. Возможно, фантаст был недалек от истины: с помощью сверхчувствительных датчиков магнитного поля, разрабатываемых в Российском квантовом центре, можно будет регистрировать очень слабые биотоки — в перспективе, и в мозгу.
Как читать мысли: устройство из Российского квантового центра

После того как врач произносит «Давайте снимем кардиограмму!», вы уже направляетесь к кушетке и собираетесь снимать ботинки и рубашку, чтобы медсестра смогла закрепить на груди и конечностях десяток электродов. Но все оказывается совсем не так: вы подходите к соседнему столу, рядом с которым на держателе закреплена небольшая коробочка. Проходит несколько секунд — и все, кардиограмма снята. Никаких кушеток, никаких проводов, никаких электродов.

Да и сама эта кардиограмма тоже непроста: с ее помощью врач может более чем за сутки обнаружить признаки скорого инфаркта, может увидеть признаки бессимптомно протекающей ишемической болезни сердца. По своей информативности такая коробочка может дать результат, сопоставимый с возможностями самого дорогого и сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа. Это картина из совсем близкого будущего: уже сейчас в лабораториях Российского квантового центра ученые работают над действующими прототипами магнитных сенсоров, которые в будущем смогут слушать не только сердце, но, возможно, и мозг.

От токов к полям

Изобретение электрокардиографии (ЭКГ) в конце XIX — начале XX века впервые позволило медикам в прямом эфире наблюдать за работой сердца. Электрические токи, проходящие по сердцу по мере его сокращений, отражались на фотопленке (а потом на бумаге) в виде чередований пиков — их форма могла указывать на ишемическую болезнь сердца, на другие типы поражений. Однако у ЭКГ при всем ее удобстве были и остаются существенные недостатки. Например, с ее помощью мы можем регистрировать не все токи, а только те, которые текут в сторону электродов, снимающих показания. Кроме того, ЭКГ фиксирует не сами токи напрямую, а разницу потенциалов на коже, которые связаны с токами сердца лишь опосредованно. В результате у ЭКГ возникают «слепые зоны», участки сердечной мышцы, состояние которых не видно или видно недостаточно хорошо в общепринятой электрокардиографии. Из-за этого медики не могли, например, обнаруживать некоторые типы «бессимптомной» ишемической болезни сердца и некоторые другие патологии.

В 1963 году двое американских ученых — Герхард Боул и Ричард Макфи — попытались впервые обойти эту проблему и уловить не разность потенциалов на коже, а магнитные поля, которые порождаются непосредственно токами в сердечной мышце. Они использовали магнитные катушки с металлическими сердечниками, но результаты оказались более чем скромными: индукция магнитного поля, которое генерируют биотоки, составляет лишь 10−14−10−10 Тл (для сравнения: величина магнитного поля Земли около 5•10−5 Тл). Поэтому на первой стадии ученые фиксировали в основном шумы. Ситуация улучшилась, когда магнитокардиограмму попытались снять в специальной комнате, изолированной от внешних магнитных полей, но в клинический метод МКГ превратилась только с появлением СКВИДов (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device), сверхпроводящих магнитных датчиков, которые фиксировали сверхслабые магнитные поля (до 1014 Тл) благодаря квантовому эффекту Джозефсона. История клинической практики магнитокардиографии не была простой — многие врачи ранее заявляли, что этот метод не дает существенного улучшения диагностики по сравнению с ЭКГ. Однако последние данные, в особенности японских медиков, где магнитная диагностика распространена шире, указывают, что МКГ дает существенные преимущества.

СКВИДы позволили создать первые медицинские кардиографы, пригодные для широкого использования в клинической практике. Однако даже современные приборы такого типа крайне дороги (они стоят около $1−1,5 млн), для их работы требуется, чтобы датчики, джозефсоновские контакты, находились в сверхпроводящем состоянии. А это означает, что магнитокардиографы требуют сложной и дорогой крио­ген­ной системы, работающей с жидким гелием. Эти устройства сопоставимы по сложности и дороговизне с компьютерным томографом, и при всех своих преимуществах они вчистую проигрывают обычной электрокардиографии, поскольку та значительно дешевле и проще.

Исследование спиновых волн в феррит-гранатовых пленках в лаборатории магнитооптики Российского квантового центра — передний край современной науки. Результаты этих исследований помогут совершить прорывы в самых различных областях технологии Исследование спиновых волн в феррит-гранатовых пленках в лаборатории магнитооптики Российского квантового центра — передний край современной науки. Результаты этих исследований помогут совершить прорывы в самых различных областях технологии

Дешево и чувствительно

Группа ученых из Российского квантового центра (РКЦ) нашла способ решить эту проблему: они создали высокочувствительные магнитные сенсоры, способные работать при комнатной температуре, компактные и в сотни раз более дешевые, чем техника на базе СКВИДов. «Мы используем квантовый эффект — обменное взаимодействие в тонких пленках из ферримагнетиков, состоящих из железа и редкоземельных металлов», — говорит доктор физико-математических наук Владимир Белотелов, руководитель группы «Магнитооптика, плазмоника и нанофотоника» РКЦ, доцент кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Ферримагнетики — «промежуточный» материал между ферромагнетиками и антиферромагнетиками. Если в ферромагнитном материале магнитные моменты атомов за счет квантового обменного взаимодействия выстраиваются в одном направлении (так получаются постоянные магниты), а в антиферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга, то в ферримагнетиках они компенсируются лишь частично.

Сенсоры, которые создает группа Владимира Белотелова, сделаны из монокристаллической пленки феррит-граната R3Fe5O12 (R обозначает редкоземельный элемент). Чтобы детектировать внешнее магнитное поле, магнитные моменты атомов в этой пленке раскручивают управляющими катушками до частоты в сотни килогерц. В результате в пленке возникают миллиарды согласованно вращающихся и прецессирующих «волчков» — атомов. «Если сенсоры оказываются во внешнем магнитном поле, даже очень слабом, то оно порождает асимметрию в этой прецессии. Возникающая асимметрия и регистрируется — либо самими катушками, в которых появляются так называемые кратные гармоники, либо с помощью лазера», — объясняет Владимир Белотелов. Второй метод точнее, но и сложнее: прецессия намагниченности меняет поляризацию отраженного от пленки лазерного луча. Этот метод обеспечивает вполне достаточную чувствительность для магнитокардиографии — 10−11−10−13 Тл. Сейчас ученые работают над проектом, поддержанным Российским научным фондом (РНФ), который так и называется «Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для магнитокардиографии».

Сенсор такого типа уже создан, но на пути к серийному производству предстоит еще много сделать: нужно, например, заставить сенсоры не «слышать» магнитное поле Земли, поля электрических и электронных приборов — весь тот магнитный шум, который нас постоянно окружает. Для этого датчики будут работать в группе. Поле сердца гораздо сильнее зависит от точки в пространстве (оно более неоднородно), чем магнитный шум. Поэтому картина с группы сенсоров позволяет после математической обработки «вычесть» помехи. Но сперва нужно откалибровать датчики, научить их работать хотя бы в «тепличных условиях».

Тепличные условия в данном случае — это гигантский металлический контейнер с дверью 10-сантиметровой толщины. Это расположенная в полуподвале здания Российского квантового центра безмагнитная камера, внутри которой три человека и экспериментальное оборудование изолированы от магнитного поля Земли. По словам Владимира Белотелова, магнитоизолирующая камера ослабляет внешнее поле примерно в тысячу раз. Ученые уже пытаются снять магнитную кардиограмму у крыс: крысу, предварительно усыпив, укладывают на доску, в которой находится датчик. Начинается эксперимент: ученые параллельно снимают «обычную» и магнитную кардиограмму. «Это только первый шаг, нам еще нужно научиться отсекать помехи и шумы, очищать полезный сигнал, но мы рассчитываем, что уже через пару лет у нас будет готовый к производству прибор», — говорит Владимир Белотелов.

По своей информативности эта коробочка может дать результат, сопоставимый с возможностями сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа.

Сердце и мозг

Однако ученые не планируют останавливаться на достигнутом. Группа Белотелова уже работает над еще более чувствительными сенсорами — с использованием плазмонов. Если на монокристаллическую магнитную пленку нанести тонкий слой металла с прорезями, то при взаимодействии с лазерным излучением на границе двух сред возникают плазмон-поляритоны — квазичастицы, представляющие собой устойчивые коллективные колебания электронного газа, взаимодействующего с фотонами электромагнитного поля. «Поляритоны очень чувствительны к изменению магнитного поля», — говорит Белотелов. По его словам, использование этой технологии позволит решить значительно более сложную задачу, нежели создание магнитокардиографа, — магнитоэнцефалографию (МЭГ), то есть считывание колебаний магнитного поля, порождаемого очень слабыми токами в мозгу.

Сейчас для регистрации этих слабых токов используется электроэнцефалография (ЭЭГ), но она имеет те же недостатки, что и ЭКГ: по электрическим потенциалам на коже головы нужно восстановить, какие токи протекают в глубине мозга. Можно, конечно, вживить электроды прямо в мозг — такой метод иногда используется в научных экспериментах (например, для управления протезами), но этот способ вряд ли подходит для рутинных обследований. Умение более точно регистрировать электрические токи в мозге открывает массу возможностей — от создания действительно удобных интерфейсов «мозг-компьютер» и «чтения мыслей» до массы медицинских применений. Плазмонные датчики могут обеспечить необходимое для этого микронное пространственное разрешение, но за это надо будет платить снижением чувствительности. «Чтобы шагнуть в сторону магнитоэнцефалографии, нам нужно поднять чувствительность датчиков на три порядка величины. Это задача, над которой мы сейчас думаем», — говорит Владимир Белотелов.

Как работает сенсор на основе ферримагнетика

Феррит-гранатовая пленка на предметном столике микроскопа. Это основа сверхчувствительных сенсоров магнитного поля Феррит-гранатовая пленка на предметном столике микроскопа. Это основа сверхчувствительных сенсоров магнитного поля
Основной элемент сенсора — пленка из ферримагнетика. Для создания сенсоров используют феррит-гранат с ионами редкоземельных металлов, например иттрия, лютеция или тулия. Монокристаллическую пленку феррит-граната выращивают с помощью метода эпитаксии на специальной подложке из галлий-гадолиниевого граната. Кристаллическая подложка отличается тем, что почти не имеет дефектов, это «самый правильный» кристалл, известный сегодня. В результате выращенная пленка лишена неоднородностей. Монокристалл феррит-граната Монокристалл феррит-граната
Чтобы сделать сенсор, нужно создать на поверхности пленки специальный рельеф — это непростая задача, поскольку пленка отличается исключительной твердостью. Полученный квадрат пленки размером в десяток миллиметров помещают внутрь управляющих катушек, которые создают вращающееся с частотой в сотни килогерц внешнее магнитное поле. Оно заставляет намагниченность этой пленки тоже описывать круг. В результате магнитные моменты миллиардов атомов начинают вращаться в унисон. Если сенсор оказывается даже в очень слабом внешнем магнитном поле, то в этом вращении возникает асимметрия, появляются гармоники, которые регистрируются самими управляющими катушками. Еще большей чувствительностью обладает метод регистрации с помощью лазерного луча: колебания намагниченности меняют интенсивность отраженного лазерного излучения. Схема сверхчувствительных сенсоров магнитного поля Схема сверхчувствительных сенсоров магнитного поля

Работа для ферримагнетика

Возможные применения сверхчувствительных магнитных сенсоров вовсе не ограничиваются медицинскими приборами, отмечает коллега Белотелова, Петр Ветошко, предложивший использовать для сенсоров пленки феррит-граната. По его словам, один из возможных вариантов использования — дефектоскопия. Сенсоры могут чувствовать очень слабые вариации намагниченности, возникающие на микроскопических трещинах в металле. Сейчас для магнитной диагностики металлических конструкций используются сенсоры на базе СКВИДов, поэтому это достаточно дорогой метод исследования (его используют, в частности, для поиска дефектов в конструкциях космических аппаратов). Применение сенсоров на базе феррит-гранатов может сделать этот способ дефектоскопии значительно доступнее.

Магнитные сенсоры могут использоваться в системах передачи информации, например, на подводные лодки с помощью так называемых сверхнизкочастотных магнитных волн. Кроме того, магнитные сенсоры могут решить проблему обмена данными с электроникой буровых снарядов. Данные на буровой снаряд, который находится на глубине в несколько километров под землей, нельзя передавать с помощью проводов — никакие кабели не выдерживают нагрузок. Сейчас для этого используются колебания давления в буровой жидкости — специальный клапан создает их, а датчик давления преобразует их в электрические сигналы. Однако скорость передачи данных при этом не превышает одного бита в секунду. Магнитные сенсоры могут решить эту проблему, значительно повысив скорость передачи информации.

Фото

Высокочувствительные магнитные сенсоры можно использовать в металлодетекторах. Причем, если современные «рамки» генерируют магнитные поля и по отклику находят крупные скопления металла, чувствительные сенсоры способны обнаруживать металлические предметы в пассивном режиме. При этом по конфигурации магнитных полей можно даже отличать предметы друг от друга — например, мобильный телефон от пистолета. Возможно, сенсоры пригодятся и фундаментальной физике. «Сейчас мы работаем над проектом, в рамках которого будем измерять чувствительность феррит-гранатового сенсора при температурах жидкого гелия. Теория предсказывает, что он должен стать гораздо чувствительнее СКВИДа. А это открывает возможность со­здания высокочувствительных антенн, например, для поиска гравитационных волн», — говорит Петр Ветошко.

Статья «На пути к миелофону» опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2015).