Как читать мысли: устройство изроссийского квантового центра

      Комментарии к записи Как читать мысли: устройство изроссийского квантового центра отключены

Как читать мысли: устройство изроссийского квантового центра

По окончании того как доктор произносит «Давайте снимем кардиограмму!», вы уже направляетесь к кушетке и планируете снимать ботинки и рубаху, дабы медсестра смогла закрепить на конечностях и груди дюжина электродов. Но все выясняется совсем не так: вы подходите к соседнему столу, рядом с которым на держателе закреплена маленькая коробочка. Проходит пара секунд — и все, кардиограмма снята.

Никаких кушеток, никаких проводов, никаких электродов.

Да и сама эта кардиограмма также непроста: с ее помощью доктор может более чем за день найти показатели скорого инфаркта, может заметить показатели бессимптомно протекающей ишемической болезни сердца. По собственной информативности такая коробочка может дать итог, сопоставимый с возможностями самого дорогого и сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа. Это картина из совсем близкого будущего: уже на данный момент в лабораториях Российского квантового центра ученые трудятся над действующими прототипами магнитных сенсоров, каковые в будущем смогут слушать не только сердце, но, быть может, и мозг.

От токов к полям

Изобретение электрокардиографии (ЭКГ) в конце XIX — начале XX века в первый раз разрешило медикам в прямом эфире наблюдать за работой сердца. Электрические токи, проходящие по сердцу по мере его сокращений, отражались на фотопленке (а позже на бумаге) в виде чередований пиков — их форма имела возможность показывать на ишемическую заболевание сердца, на другие типы поражений. Но у ЭКГ при всем ее удобстве были и остаются значительные недочёты.

К примеру, с ее помощью мы можем регистрировать не все токи, а лишь те, каковые текут в сторону электродов, снимающих показания. Помимо этого, ЭКГ фиксирует не сами токи напрямую, а отличие потенциалов на коже, каковые связаны с токами сердца только опосредованно. В следствии у ЭКГ появляются «слепые территории», участки сердечной мускулы, состояние которых не видно либо видно плохо в общепринятой электрокардиографии.

Вследствие этого медики не могли, к примеру, обнаруживать кое-какие типы «бессимптомной» ишемической заболевании сердца и другие патологии.

В первой половине 60-ых годов двадцатого века двое американских ученых — Герхард Боул и Ричард Макфи — постарались в первый раз обойти эту проблему и уловить не разность потенциалов на коже, а магнитные поля, каковые порождаются конкретно токами в сердечной мышце. Они применяли магнитные катушки с железными сердечниками, но результаты были более чем скромными: индукция магнитного поля, которое генерируют биотоки, образовывает только 10−14−10−10 Тл (для сравнения: величина магнитного поля Почвы около 5•10−5 Тл).

Исходя из этого на первом этапе ученые фиксировали по большей части шумы. Обстановка улучшилась, в то время, когда магнитокардиограмму постарались снять в особой помещении, изолированной от внешних магнитных полей, но в клинический способ МКГ превратилась лишь с возникновением СКВИДов (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device), сверхпроводящих магнитных датчиков, каковые фиксировали сверхслабые магнитные поля (до 1014 Тл) благодаря квантовому эффекту Джозефсона.

История клинической практики магнитокардиографии не была несложной — многие доктора ранее заявляли, что данный способ не дает значительного улучшения диагностики если сравнивать с ЭКГ. Но последние эти, в особенности японских медиков, где магнитная диагностика распространена шире, показывают, что МКГ дает значительные преимущества.

СКВИДы разрешили создать первые медицинские кардиографы, пригодные для широкого применения в клинической практике. Но кроме того современные устройства для того чтобы типа очень дороги (они стоят около $1−1,5 млн), для их работы требуется, дабы датчики, джозефсоновские контакты, были в сверхпроводящем состоянии. А это указывает, что магнитокардиографы требуют сложной и дорогой криогенной совокупности, трудящейся с жидким гелием.

Эти устройства сопоставимы по дороговизне и сложности с компьютерным томографом, и при всех собственных преимуществах они вчистую проигрывают простой электрокардиографии, потому, что та существенно дешевле и несложнее.

    Изучение спиновых волн в феррит-гранатовых пленках в лаборатории магнитооптики Российского квантового центра — передний край современной науки. Результаты этих изучений окажут помощь совершить прорывы в самых разных областях разработки

Дешево и чувствительно

Группа исследователей из Русского квантового центра (РКЦ) отыскала метод решить эту проблему: они создали высокочувствительные магнитные сенсоры, талантливые действующий при комнатной температуре, компактные и в много раз более недорогие, чем техника на базе СКВИДов. «Мы используем квантовый эффект — обменное сотрудничество в узких пленках из ферримагнетиков, складывающихся из редкоземельных металлов и железа», — говорит врач физико-математических наук Владимир Белотелов, начальник группы «Магнитооптика, плазмоника и нанофотоника» РКЦ, доцент кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета московского университета им. М.В.

Ломоносова. Ферримагнетики — «промежуточный» материал между антиферромагнетиками и ферромагнетиками. В случае если в ферромагнитном материале магнитные моменты атомов за счет квантового обменного сотрудничества 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 только частично.

Сенсоры, каковые формирует несколько Владимира Белотелова, сделаны из монокристаллической пленки феррит-граната R3Fe5O12 (R обозначает редкоземельный элемент). Дабы детектировать внешнее магнитное поле, магнитные моменты атомов в данной пленке раскручивают управляющими катушками до частоты в много килогерц.

В следствии в пленке появляются миллиарды согласованно вращающихся и прецессирующих «волчков» — атомов. «В случае если сенсоры выясняются во внешнем магнитном поле, кроме того весьма не сильный, то оно порождает асимметрию в данной прецессии. Появляющаяся асимметрия и регистрируется — или самими катушками, в которых появляются так именуемые кратные гармоники, или посредством лазера», — растолковывает Владимир Белотелов.

Второй способ правильнее, но и сложнее: прецессия намагниченности меняет поляризацию отраженного от пленки лазерного луча. Данный способ снабжает в полной мере достаточную чувствительность для магнитокардиографии — 10−11−10−13 Тл. на данный момент ученые трудятся над проектом, поддержанным Русским научным фондом (РНФ), что так и именуется «Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для магнитокардиографии».

Сенсор для того чтобы типа уже создан, но на пути к серийному производству предстоит еще много сделать: необходимо, к примеру, вынудить сенсоры не «слышать» магнитное поле Почвы, поля электрических и электронных устройств — целый тот магнитный шум, что нас всегда окружает. Для этого датчики будут трудиться в группе. Поле сердца значительно посильнее зависит от точки в пространстве (оно более неоднородно), чем магнитный шум.

Исходя из этого картина с группы сенсоров разрешает по окончании математической обработки «вычесть» помехи. Но вначале необходимо откалибровать датчики, научить их трудиться хотя бы в «тепличных условиях».

Тепличные условия в этом случае — это огромный железный контейнер с дверью 10-сантиметровой толщины. Это расположенная в полуподвале строения Российского квантового центра безмагнитная камера, в которой три человека и экспериментальное оборудование изолированы от магнитного поля Почвы. По словам Владимира Белотелова, магнитоизолирующая камера ослабляет внешнее поле приблизительно в тысячу раз.

Ученые уже пробуют снять магнитную кардиограмму у крыс: крысу, предварительно усыпив, укладывают на доску, в которой находится датчик. Начинается опыт: ученые параллельно снимают «простую» и магнитную кардиограмму. «Это лишь первый ход, нам еще необходимо обучиться отсекать помехи и шумы, очищать нужный сигнал, но мы рассчитываем, что уже через несколько лет у нас готовься к производству прибор», — говорит Владимир Белотелов.

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

мозг и Сердце

Но ученые несобираются останавливаться на достигнутом. Несколько Белотелова уже трудится над еще более чувствительными сенсорами — с применением плазмонов.

В случае если на монокристаллическую магнитную пленку нанести узкий слой металла с прорезями, то при сотрудничестве с лазерным излучением на границе двух сред появляются плазмон-поляритоны — квазичастицы, воображающие собой устойчивые коллективные колебания электронного газа, взаимодействующего с фотонами электромагнитного поля. «на данный момент весьма чувствительны к трансформации магнитного поля», — говорит Белотелов. Он утвержает, что применение данной технологии разрешит решить намного более непростую задачу, нежели создание магнитокардиографа, — магнитоэнцефалографию (МЭГ), другими словами считывание колебаний магнитного поля, порождаемого весьма не сильный токами в мозгу.

на данный момент для регистрации этих не сильный токов употребляется электроэнцефалография (ЭЭГ), но она имеет те же недочёты, что и ЭКГ: по электрическим потенциалам на коже головы необходимо вернуть, какие конкретно токи протекают в глубине мозга. Возможно, само собой разумеется, вживить электроды прямо в мозг — таковой способ время от времени употребляется в научных опытах (к примеру, для управления протезами), но данный метод вряд ли подходит для рутинных обследований.

Умение более совершенно верно регистрировать электрические токи в мозге открывает массу возможностей — от создания вправду эргономичных интерфейсов «мозг-чтения» и «компьютер мыслей» до массы медицинских применений. Плазмонные датчики смогут обеспечить нужное для этого микронное пространственное разрешение, но за это нужно будет платить понижением чувствительности. «Дабы шагнуть в сторону магнитоэнцефалографии, нам необходимо поднять чувствительность датчиков на три порядка величины. Это задача, над которой мы на данный момент думаем», — говорит Владимир Белотелов.

Как трудится сенсор на базе ферримагнетика

    Феррит-гранатовая пленка на предметном столике микроскопа. Это база сверхчувствительных сенсоров магнитного поля

Главной элемент сенсора — пленка из ферримагнетика. Для сенсоров применяют феррит-гранат с ионами редкоземельных металлов, к примеру иттрия, лютеция либо тулия. Монокристаллическую пленку феррит-граната выращивают посредством способа эпитаксии на особой подложке из галлий-гадолиниевого граната. Кристаллическая подложка отличается тем, что практически не имеет недостатков, это «самый верный» кристалл, узнаваемый сейчас.

В следствии выращенная пленка лишена неоднородностей.

    Монокристалл феррит-граната

Дабы сделать сенсор, необходимо создать на поверхности пленки особый рельеф — это сложная задача, потому, что пленка отличается необыкновенной твердостью. Полученный квадрат пленки размером в дюжина миллиметров помещают вовнутрь управляющих катушек, каковые создают вращающееся с частотой в много килогерц внешнее магнитное поле. Оно заставляет намагниченность данной пленки также обрисовывать круг.

В следствии магнитные моменты миллиардов атомов начинают вращаться в унисон. В случае если сенсор выясняется кроме того в весьма не сильный внешнем магнитном поле, то в этом вращении появляется асимметрия, появляются гармоники, каковые регистрируются самими управляющими катушками. Еще большей чувствительностью владеет способ регистрации посредством лазерного луча: колебания намагниченности меняют интенсивность отраженного лазерного излучения.

    Схема сверхчувствительных сенсоров магнитного поля

Работа для ферримагнетика

Вероятные применения сверхчувствительных магнитных сенсоров вовсе не ограничиваются медицинскими устройствами, отмечает сотрудник Белотелова, Петр Ветошко, предложивший применять для сенсоров пленки феррит-граната.

Он утвержает, что один из вероятных вариантов применения — дефектоскопия. Сенсоры смогут ощущать весьма не сильный вариации намагниченности, появляющиеся на микроскопических трещинах в металле. на данный момент для магнитной диагностики железных конструкций употребляются сенсоры на базе СКВИДов, исходя из этого это достаточно дорогой способ изучения (его применяют, например, для поиска недостатков в конструкциях космических аппаратов).

Использование сенсоров на базе феррит-гранатов может сделать данный метод дефектоскопии существенно дешевее.

Магнитные сенсоры смогут употребляться в совокупностях передачи информации, к примеру, на подводные лодки посредством так называемых сверхнизкочастотных магнитных волн.

Помимо этого, магнитные сенсоры смогут решить проблему обмена данными с электроникой буровых снарядов. Эти на буровой боеприпас, что находится на глубине в пара километров под почвой, нельзя передавать посредством проводов — никакие кабели не выдерживают нагрузок. на данный момент для этого употребляются колебания давления в буровой жидкости — особый клапан формирует их, а датчик давления преобразует их в электрические сигналы.

Но скорость передачи данных наряду с этим не превышает одного бита в секунду. Магнитные сенсоры смогут решить эту проблему, существенно повысив скорость передачи информации.

Высокочувствительные магнитные сенсоры возможно применять в металлодетекторах. Причем, в случае если современные «рамки» генерируют магнитные поля и по отклику находят большие скопления металла, чувствительные сенсоры способны обнаруживать железные предметы в пассивном режиме. Наряду с этим по конфигурации магнитных полей возможно кроме того отличать предметы друг от друга — к примеру, сотовый телефон от пистолета.

Быть может, сенсоры понадобятся и фундаментальной физике. «на данный момент мы трудимся над проектом, в рамках которого будем измерять чувствительность феррит-гранатового сенсора при температурах жидкого гелия. Теория предвещает, что он будет значительно чувствительнее СКВИДа. А это открывает возможность создания высокочувствительных антенн, к примеру, для поиска гравитационных волн», — говорит Петр Ветошко.

Статья «На пути к миелофону» размещена в издании «Популярная механика» (№154, август 2015).

ЧТЕНИЕ МЫСЛЕЙ [Новости науки и технологий]


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: