Ученые превратили парящий магнит в датчик сверхслабых магнитных полей
Парящий в вакууме магнит размером меньше миллиметра улавливает поля, сопоставимые с сигналами человеческого мозга. В перспективе прибор поможет изучать его активность и искать частицы темной материи.
Источник: Новости науки
МОСКВА, 9 августа /Новости науки/. Физики из Китая, Германии и США создали датчик на основе парящего в вакууме магнита. Чувствительности прибора достаточно для улавливания слабейших магнитных сигналов мозга, сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Science.
Разработка сочетает высокую чувствительность с относительно простой конструкцией и работой при комнатной температуре. Сверхпроводящие датчики сопоставимого уровня приходится охлаждать почти до абсолютного нуля, а атомные магнитометры — тщательно защищать от внешних полей. Новый прибор способен работать даже на фоне магнитного поля Земли, хотя для точных измерений ученые также использовали защитный экран.
«Когда вы исследуете поля на уровне фемтотесла, даже тонкая алюминиевая фольга может создавать шум в 100 фемтотесла», — рассказал один из авторов работы Вэй Цзи из Пекинского университета, которого цитирует Nature.
Основой прибора стала своеобразная миниатюрная стрелка компаса — ферромагнитный диск диаметром около 0,8 мм и толщиной 0,38 мм. Расположенный сверху магнит удерживает его в воздухе, а слой диамагнитного материала снизу не дает ему сместиться и упасть. Вся система помещена в небольшую вакуумную камеру.
Лазерный луч отражается от поверхности парящего магнита и попадает на светочувствительный детектор. Под действием внешнего магнитного поля диск едва заметно поворачивается, а прибор регистрирует изменение положения отраженного луча. Отсутствие механического крепления уменьшает трение и потери энергии, поэтому магнит реагирует даже на крайне слабые воздействия.
При резонансной частоте около 305 герц датчик достиг чувствительности 32 фемтотесла на корень из герца. Это позволяет измерять поля, которые более чем в миллиард раз слабее магнитного поля Земли. Непосредственно сигналы человеческого мозга авторы пока не регистрировали: речь идет о достигнутом пороге чувствительности.
Для подавления помех исследователи поместили установку на виброизолирующую платформу, откачали из камеры почти весь воздух и окружили ее четырехслойной магнитной защитой. Диамагнитную опору изготовили из частиц пиролитического графита, соединенных эпоксидной смолой. Такая структура ограничивает вихревые токи и уменьшает создаваемый ими магнитный шум.
В перспективе датчик можно будет размещать в нескольких сотнях микрометров от исследуемого образца. Это позволит получать более сильный сигнал при изучении работы мозга и сердца. Прибор также может применяться в химических исследованиях, поисках экзотических взаимодействий и экспериментах по обнаружению аксионов — гипотетических частиц, которые рассматриваются как возможная составляющая темной материи.
Сегодня магнитную активность мозга обычно исследуют методом магнитоэнцефалографии. Во многих подобных установках используются сверхпроводящие квантовые интерферометры, требующие сложного криогенного оборудования. Левитирующий датчик потенциально способен сделать такие измерительные системы компактнее и приблизить их чувствительный элемент к человеку.
Разработка сочетает высокую чувствительность с относительно простой конструкцией и работой при комнатной температуре. Сверхпроводящие датчики сопоставимого уровня приходится охлаждать почти до абсолютного нуля, а атомные магнитометры — тщательно защищать от внешних полей. Новый прибор способен работать даже на фоне магнитного поля Земли, хотя для точных измерений ученые также использовали защитный экран.
«Когда вы исследуете поля на уровне фемтотесла, даже тонкая алюминиевая фольга может создавать шум в 100 фемтотесла», — рассказал один из авторов работы Вэй Цзи из Пекинского университета, которого цитирует Nature.
Основой прибора стала своеобразная миниатюрная стрелка компаса — ферромагнитный диск диаметром около 0,8 мм и толщиной 0,38 мм. Расположенный сверху магнит удерживает его в воздухе, а слой диамагнитного материала снизу не дает ему сместиться и упасть. Вся система помещена в небольшую вакуумную камеру.
Лазерный луч отражается от поверхности парящего магнита и попадает на светочувствительный детектор. Под действием внешнего магнитного поля диск едва заметно поворачивается, а прибор регистрирует изменение положения отраженного луча. Отсутствие механического крепления уменьшает трение и потери энергии, поэтому магнит реагирует даже на крайне слабые воздействия.
При резонансной частоте около 305 герц датчик достиг чувствительности 32 фемтотесла на корень из герца. Это позволяет измерять поля, которые более чем в миллиард раз слабее магнитного поля Земли. Непосредственно сигналы человеческого мозга авторы пока не регистрировали: речь идет о достигнутом пороге чувствительности.
Для подавления помех исследователи поместили установку на виброизолирующую платформу, откачали из камеры почти весь воздух и окружили ее четырехслойной магнитной защитой. Диамагнитную опору изготовили из частиц пиролитического графита, соединенных эпоксидной смолой. Такая структура ограничивает вихревые токи и уменьшает создаваемый ими магнитный шум.
В перспективе датчик можно будет размещать в нескольких сотнях микрометров от исследуемого образца. Это позволит получать более сильный сигнал при изучении работы мозга и сердца. Прибор также может применяться в химических исследованиях, поисках экзотических взаимодействий и экспериментах по обнаружению аксионов — гипотетических частиц, которые рассматриваются как возможная составляющая темной материи.
Сегодня магнитную активность мозга обычно исследуют методом магнитоэнцефалографии. Во многих подобных установках используются сверхпроводящие квантовые интерферометры, требующие сложного криогенного оборудования. Левитирующий датчик потенциально способен сделать такие измерительные системы компактнее и приблизить их чувствительный элемент к человеку.
