Nowy diamentowy magnetometr kwantowy do magnetoencefalografii w warunkach otoczenia

Magnetoencefalografia (MEG) to technika obrazowania biomedycznego wykorzystywana do mapowania aktywności mózgu poprzez rejestrowanie pól magnetycznych wytwarzanych przez naturalnie występujące prądy elektryczne generowane przez neurony w mózgu, przy użyciu bardzo czułych magnetometrów. Obecnie MEG wymaga do działania pomieszczenia ekranowanego magnetycznie. Osiągnięcie MEG, który działa w normalnym środowisku, bez potrzeby ekranowania magnetycznego, jest głównym celem. Umożliwiłoby to codzienną diagnostykę, interfejsy mózg-maszyna i podstawowe badania nad funkcjonowaniem mózgu.

Magnetometry wykorzystujące diamentowe czujniki kwantowe z centrami próżniowymi azotu (NV) są obiecującymi kandydatami do realizacji MEG w warunkach otoczenia. Oczekuje się, że czujniki te będą oferować znacznie lepszą rozdzielczość w skali milimetrowej niż konwencjonalne MEG w skali centymetrowej. Centra NV są defektami w strukturze diamentu, składającymi się z atomu azotu zastąpionego atomem węgla, obok wakansu. Jedną z powszechnych metod pomiaru pól magnetycznych z centrami NV jest optyczny rezonans magnetyczny z ciągłą falą (CW-ODMR). W metodzie tej ciągłe pole mikrofalowe jest wykorzystywane do manipulowania stanami spinowymi centrów NV, podczas gdy są one oświetlane laserem. Intensywność fluorescencji indukowanej laserem zmienia się w zależności od zewnętrznego pola magnetycznego. Mierząc te zmiany fluorescencji, można wykryć i zmierzyć zewnętrzne pole magnetyczne. W porównaniu z innymi metodami, metoda ta jest prostsza i łatwiejsza oraz pozwala osiągnąć rozdzielczość w skali milimetra.

Opierając się na tej technologii, zespół naukowców z Japonii, kierowany przez profesora nadzwyczajnego Naotę Sekiguchi z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Elektronicznej Tokijskiego Instytutu Technologii, opracował niedawno nowatorski i czuły diamentowy magnetometr kwantowy. „Klinicznie akceptowalny MEG wymaga czułości co najmniej rzędu pikotesli (pT) w zakresie częstotliwości bliskim DC 5-100 Hz w rozsądnym czasie pomiaru. Obecnie magnetometry diamentowe wymagają koncentratora strumienia magnetycznego (MFC), aby osiągnąć taką czułość. Jednak MFC zmniejszają wewnętrzną rozdzielczość przestrzenną magnetometrów. Ponadto w przypadku MEG wymagana jest niewielka odległość pomiarowa, ponieważ zanik pola magnetycznego rośnie wykładniczo wraz z odległością. Aby sprostać tym wyzwaniom, zaprojektowaliśmy czuły magnetometr diamentowy oparty na CW-ODMR”, wyjaśnia szczegółowo Sekiguchi. Ich badania zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Applied.

Nowy magnetometr wykorzystuje monokrystaliczny diament, który został wytworzony przy użyciu metody wysokociśnieniowej i wysokotemperaturowej (HPHT). Po syntezie HPHT, kawałek kryształu został wycięty równolegle do płaszczyzny kryształu (111), a ujemnie naładowane centra NV zostały wytworzone w krysztale za pomocą napromieniowania wiązką elektronów, a następnie wyżarzania w temperaturze 1000 ° C. ⁰C. Ten centralny zespół NV został umieszczony w głowicy czujnika, zaprojektowanej tak, aby zbliżyć się do celu na około jeden milimetr z objętością wykrywania 4 x 10^-3 mm³. Zespół został wzbudzony liniowo spolaryzowanym zielonym laserem o długości fali 532 nanometrów, a w celu zwiększenia wydajności zbierania fluorescencji indukowanej laserem zastosowano soczewkę półkulistą o wysokim współczynniku załamania światła.

Starannie dostosowując warunki eksperymentalne, naukowcy osiągnęli rekordową czułość 9,4 ± 0.1 pT Hz^-1/2 w zakresie częstotliwości od 5 do 100 Hz, bez MFC. Dodatkowo, analiza odchylenia Allana wykazała, że magnetometr może mierzyć pola magnetyczne tak niskie jak 0,3 pT i utrzymywać niezwykłą czułość przez długi czas. Co więcej, jego konstrukcja jest odpowiednia do praktycznych zastosowań, takich jak MEG żywego zwierzęcia.

Wysoka czułość osiągnięta w tym badaniu stanowi znaczący krok w kierunku realizacji MEG w warunkach otoczenia z rozdzielczością w skali milimetra. Patrząc w przyszłość, Sekiguchi podsumowuje: „W przyszłości planujemy mierzyć MEG zwierząt za pomocą czujników opracowanych w tym badaniu i realizować pomiary MEG za pomocą diamentowych czujników kwantowych. Ostatecznie naszym celem jest uzyskanie MEG bez konieczności stosowania ekranowania magnetycznego”.