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Winzige, empfindliche Magnetfelddetektoren
Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben einen neuen Typ von Magnetometer – oder Magnetfelddetektoren – entwickelt, der mit der Empfindlichkeit seiner Vorgänger mithalten kann, aber klein und billig ist und sehr wenig Strom verbraucht.
Schrumpfsensoren: Oben werden Metallatome in einem Siliziumwürfel (grün) ausgerichtet (Pfeile), während das Licht eines Infrarotlasers auf einen Detektor (blau) fällt. Im unteren Bereich werden die Atome in Gegenwart eines schwachen Magnetfelds – emittiert beispielsweise von einer Bombe – aus der Ausrichtung verschoben und können nun das Licht des Lasers absorbieren.
Magnetometer haben ein breites Anwendungsspektrum: Wo elektrischer Strom fließt, gibt es ein magnetisches Feld. Messungen von Magnetfeldern können Aufschluss über die elektrische Aktivität des menschlichen Herzens und Gehirns, die chemische Identität eines sich drehenden Atoms oder einfach das Vorhandensein oder Fehlen von Metall geben. Aufgrund ihrer geringen Größe und Empfindlichkeit versprechen die neuen Sensoren, die Erkennung von Bomben und fetalen Herzschlägen zu verbessern, und könnten in zukünftige Magnetresonanztomographen (MRT) integriert werden.
Der neue Sensor, entwickelt vom NIST-Physiker John Kiting , besteht aus einem Laser, einer Zelle mit verdampften Metallatomen und einem Lichtdetektor. Wenn die Metallatome vom Laser beleuchtet werden, richten sie sich so aus, dass sie kein Licht absorbieren. Selbst ein sehr schwaches Magnetfeld stört jedoch ihre Ausrichtung und sie absorbieren einen Teil des Lichts. Diese Änderung wird vom Detektor aufgezeichnet.
Andere Forscher haben ähnliche Magnetometer hergestellt, aber Kitching und sein Team verwendeten Mikrofabrikationstechniken, um die Dampfzelle zu miniaturisieren, die in ihrem Gerät aus einem Kubikmillimeter Silizium besteht. Der Laser ist eine Infrarotdiode, ähnlich wie bei CD-Laufwerken, sodass alle drei Komponenten auf Siliziumchips montiert werden können, was die Arbeit erleichtert.
Bei Anwendungen wie der Detektion von improvisierten Sprengkörpern oder Blindgängern in Minenfeldern könnten die geringe Größe und der geringe Stromverbrauch der NIST-Sensoren einen großen Unterschied machen. Die Sensoren könnten in Arrays gruppiert werden, sodass in einer bestimmten Zeit mehr Daten gewonnen werden können. Kommerziell erhältliche laserbasierte Magnetdetektoren haben die Größe von Getränkedosen, benötigen 20 Watt Leistung und kosten jeweils 20.000 US-Dollar, sodass eine Gruppierung in Arrays nicht praktikabel ist.
Sanierungsarbeiter verwenden diese großen Sensoren, um nicht explodierte Landminen und andere Waffen auf ehemaligen Schlachtfeldern zu erkennen, aber es ist ein mühsames Verfahren, sagt Mark Prouty, Präsident von Geometrie , ein Unternehmen aus San Jose, CA, das Magnetsensoren herstellt. Die schweren Sensoren müssen über ein Feld hin und her getragen werden, dann zurück in ein Büro, wo magnetische Daten mit GPS-Daten synthetisiert werden, um Karten zu erstellen. Dann müssen die Arbeiter mit den Karten zurück zum Feld, um die Waffen auszugraben.
Mit einer Reihe kleinerer Sensoren wäre es möglich, Daten in einem Schnappschuss zu sammeln und im Feld [Waffen] auszugraben, sagt Prouty.
Auch das Aufspüren von improvisierten Sprengkörpern sei ein großes Problem für das Militär, sagt Prouty. Es sei schwierig, diese Bomben mit einzelnen Magnetsensoren zu erkennen, da alles angezeigt wird, einschließlich des Fahrzeugs, an dem der Sensor montiert ist, erklärt er. Einzelne Sensoren nehmen Punktmessungen vor; sie können ein metallhaltiges Objekt wie eine Bombe erkennen, können aber keine Informationen über seinen Standort oder seine Form geben. Eine Reihe magnetischer Sensoren könnte vor Ort eine Antwort geben, sagt Prouty.
Magnetische Messungen werden auch verwendet, um das Gehirn und das Herz zu untersuchen. Die Nervenaktivität im Gehirn erzeugt sehr schwache Magnetfelder – etwa 10 Größenordnungen kleiner als die der Erde. Die Messung dieses schwachen Biomagnetismus erfordert hochempfindliche magnetische Detektoren, sogenannte SQUIDs, die wiederum supraleitende Materialien erfordern. Die empfindlichsten SQUIDs müssen mit flüssigem Helium bis auf wenige Grad bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt werden; sie kosten etwa 2 Millionen US-Dollar.
Die Magnetometer von Kitching sind fast so empfindlich wie SQUIDs und können bei Raumtemperatur betrieben werden. Er sagt, dass sie derzeit empfindlich genug sind, um Magnetfelder vom Herzen, aber nicht vom Gehirn zu messen. Die Überwachung des fetalen Herzens erfährt im medizinischen Bereich viel Aufmerksamkeit, ist jedoch schwierig, da es nicht möglich ist, Elektroden direkt auf einem Fötus in utero zu platzieren, sagt Kitching. Elektrische Felder kommen nicht unbeeinflusst [vom Gewebe der Mutter] an die Oberfläche, aber magnetische Felder schon, sagt er.
David Cohen , der in den 1960er Jahren einige der ersten Messungen des Biomagnetismus durchführte, sagt, dass Kitchings Magnetometer möglicherweise so weit kommen, dass man das Herz messen kann, aber er ist skeptisch, dass sie zur Untersuchung der Gehirnaktivität verwendet werden. Er bezweifelt, dass ein Gerät, das die NIST-Sensoren zur Erkennung von Biomagnetismus verwendet, am Ende billiger sein würde als Geräte, die auf SQUID angewiesen sind.
Eine weitere potenzielle Anwendung der Sensoren sind zukünftige MRT-Scanner. Für nicht-invasive biologische Maßnahmen könnte dies eine wirklich interessante Sache sein, sagt Yael Maguire , der vor der Gründung von ThingMagic in Cambridge, MA, an der Miniaturisierung von Kernspinresonanzdetektoren arbeitete, einer der MRT ähnlichen Technologie. MRT erfordert derzeit einen eigenen Raum, spezialisierte Techniker und einen großen, starken Magneten. Die Kosten für den Zugang zu den Geräten seien ein Problem bei der MRT, sagt Maguire. (Siehe bessere Bilder von Proteinen.) Hochempfindliche, billige Magnetometer wie das von Kitching könnten in zukünftige MRT-Scanner integriert werden, wodurch sie kleinere Magnete verwenden können, ihre Kosten senken und sie möglicherweise tragbar machen.
Aber solche klinischen Anwendungen sind noch viele Jahre entfernt. Kitching sagt, dass er derzeit den Kompromiss zwischen Größe und Empfindlichkeit der Magnetometer untersucht und auch Chips entwickelt, die sie tragen.