Øger evnen til at detektere super svage magnetfelter

Hvert slag i dit hjerte eller udbrud af hjerneaktivitet er afhængig af små elektrofysiologiske strømme, der genererer små bølger i det omgivende magnetfelt. Disse feltvariationer danner grundlag for en række forskningsværktøjer og diagnostiske teknikker med mundfulde navne som magnetoencefalografi (MEG) og magnetokardiografi (MCG). Men at tappe ind i biologiens svage magnetfelter kræver heroiske og dyre foranstaltninger, herunder højteknologiske skjolde for at blokere de større, potentielt forvirrende magnetiske kræfter rundt omkring os og boutique magnetiske feltsensorer, der kræver dyr og besværlig flydende heliumkøling.

DARPA's nye Atomic Magnetometer for Biological Imaging In Earth's Native Terrain (AMBIIENT) -program handler om at indlede magnetfeltfølelse ind i en ny æra, hvor MEG'er, MCG'er, og et sortiment af andre ønskeseddelte magnetfeltfølende teknikker bliver praktiske realiteter for en lang række anvendelser. Potentielt i horisonten, for eksempel, er sensorsystemer til detektering af rygmarvsignaler, diagnosticering af hjernerystelser, og hjerne-maskine-grænseflader (BMI'er) til sådanne anvendelser som styring af protetiske lemmer og eksterne maskiner via de subtile magnetiske signaler forbundet med tanke.

Et par elefanter i rummet har forhindret biomagnetisk feltføling i at strække sig ud over dets nuværende begrænsninger. Planet Earth har været det største buzz -drab. Dets gennemsnitlige magnetfelt er 50 milliontedele af en Tesla, en enhed med magnetfeltstyrke opkaldt efter opfinderen fra midten af ​​det 19. og begyndelsen af ​​det 20. århundrede Nikola Tesla. Det betyder, at Jordens magnetfelt er en million til en milliard gange stærkere end de 10 picoTesla (10 ^-11 Tesla) til 10 femtoTesla (10 ^-14 Tesla) magnetiske felter, der stammer fra menneskelige kroppe. Oven i købet, selv nutidens førende magnetfeltsensorer-baseret, for eksempel, på superledende kvanteinterferensudstyr (SQUID'er) - lider af et begrænset dynamisk område, hvilket betyder, at de ikke er i stand til at reagere pålideligt i nærvær af magnetiske feltstyrker, der spænder over mange størrelsesordener, som det er tilfældet, når biologiske magnetfelter overlejrer Jordens egen magnetisme. Uden intens afskærmning, disse magnetiske hvisken fra biologien ville gå tabt midt i den bragende lyd af Jordens magnetisme, selv med de bedst tilgængelige sensorer i spil.

"Traditionelt set måling af små magnetiske signaler i omgivende miljøer har påberåbt sig par af højtydende sensorer adskilt af en basislinjeafstand og derefter måling af de små feltstyrkeforskelle mellem de to sensorer, "sagde Robert Lutwak, AMBIIENTs programchef i DARPA's Microsystems Technology Office. "Denne gradiometriske teknik har fungeret godt til applikationer inden for geofysisk opmåling og detektering af ueksploderet ammunition, "Lutwak tilføjede, "men på grund af kombinationen af ​​sensorernes begrænsede dynamiske område og den naturlige rumlige variation af baggrundsignalerne, denne fremgangsmåde falder flere størrelsesordener for at være i stand til at detektere biologiske magnetiske signaler. "

AMBIIENT-programmet udfordrer forskersamfundet til at udtænke nye typer magnetiske gradiometre, der kan detektere picoTesla- og femtoTesla magnetiske signaturer ude i det fri, uden afskærmning og uanset det omgivende magnetfeltmiljø. For at gøre dette vil forskere kræve, at med Lutwaks ord, "udnytte nye atomfysiske teknikker og arkitekturer til direkte at måle ekstremt små gradienter i magnetfelter uden at skulle sammenligne forskellen mellem absolutte feltmålinger fra to sensorer adskilt langs en basislinje." En fysikbaseret tilgang, AMBIIENT-kunstnere sandsynligvis vil følge, er at overvåge ændringer i polariseringen eller andre målbare træk ved en lille laserstråle, når den passerer gennem dampceller, der er vært for atomer, der reagerer på laserstråleændrende måder til endda femtoTesla magnetfelter. Overvågning af ændringer i laserlysets funktioner ville derved åbne et nyt og praktisk vindue på magnetfelter, der tidligere ikke var målbare under omgivelsesbetingelser. Dette åbner scenarier, hvor, sige, en læge på en slagmark ville være i stand til at bruge en tryllestavslig sensor til hurtigt at screene en krigsfører for tegn på hjernerystelse eller andet hovedtraume skrevet i hjernens subtile magnetfelter

"Magnetisk sansning og billeddannelse med høj følsomhed vil tilbyde et kraftfuldt nyt værktøj til medicinsk forskning og klinisk diagnose af neurologisk og hjerteaktivitet, "sagde Lutwak." DARPAs mål er at ende med evnen til højfølsom magnetisk sansning i en billig enhed, der kan fungere i almindelige miljøer. "Han forestiller sig også nogle usædvanlige udvidelser af magnetfeltmåling, herunder magnetisk navigation (MagNav) som backup, alternativ, eller supplement til GPS-baseret navigation. Udstyret med den slags sensorer, der kunne komme frem fra AMBIIENT -programmet, for eksempel, et fly, der kører i passagerflyhøjder, kan muligvis holde styr på de naturligt varierende og godt kortlagte variationer i magnetfeltet på Jordens overflade for at bestemme dets placering over jorden inden for omkring 250 meter.