Притяжение магнита
Тончайшие колебания магнитного поля хранят в себе огромное количество важнейшей информации. Найти ее, понять и использовать — вот задача, которую ставит перед собой лаборатория магнитооптики, работающая в Российском квантовом центре.
Фото: Российский Квантовый Центр
Фото: Российский Квантовый Центр
Работа в поле
Изучать влияние друг на друга магнитного поля и света профессор Владимир Белотелов начал еще студентом физфака МГУ. Сегодня он возглавляет одну из немногих в России исследовательских групп, занимающихся магнитооптикой. На кафедре фотоники и физики микроволн родного факультета он руководит лабораторией, а еще работает в Российском квантовом центре (РКЦ) — исследовательском центре, созданном в 2010 году при участии фонда "Сколково" и частных инвесторов.
В РКЦ господин Белотелов руководит лабораторией магнитооптики, нанофотоники и плазмоники. Группа под его руководством изучает, как при помощи магнитного поля можно воздействовать на свет и, наоборот, как при помощи света воздействовать на магнетизм. Фотоника изучает оптическое излучение, рассматривая фотон как носитель информации. Плазмоника — это тоже наука об оптике: в центре ее внимания — плазмоны, смешанные колебания электронов и электромагнитного поля.
Чтобы исследовать влияние намагниченности на свет, можно следить за поведением света, идущего от обычных галогенных ламп. А вот решить обратную задачу — исследовать влияние света на намагниченность — сложнее. Это делается с помощью лазерных установок: они посылают сверхкороткие импульсы света в разных диапазонах длин волн, чтобы спровоцировать те или иные изменения в магнитных структурах.
Одновременно, чтобы найти этим эффектам практическое применение, ученые работают над специальными материалами, в которых воздействие магнитного поля на свет увеличивается в десятки и даже сотни раз. Это происходит, если у материала особая, гибридная, структура — например, если он состоит не просто из однородной магнитной пленки, но и содержит перфорированные слои металла. Собственно, из-за этих слоев материалы и получают приставку "нано": размер перфораций — около 100 нанометров. Расположена перфорация в определенном порядке, поэтому материал считается кристаллом. В гибридном материале появляются гибридные частицы — те самые плазмоны. Теперь и обозначающий их термин "магнито-плазмонный кристалл" становится более понятным.
Хотя магнитооптика изначально рассматривалась как технология создания оптических компьютеров будущего (их принцип действия основан на изменении характеристик света с помощью магнитного поля), ученые начали с других, не менее важных задач. Последние два года они работают над сверхчувствительными сенсорами.
Так, исследователи РКЦ решили измерить магнитное поле, создаваемое человеческим сердцем. Первый, пока экспериментальный образец сверхчувствительного прибора уже создан, скоро он сможет сделать процедуру магнитокардиографии (МКГ), которая дополняет традиционное ЭКГ-обследование, более доступной.
Основной чувствительный элемент созданного сенсора — магнитная пленка толщиной примерно 1 микрометр (0,001 мм). Она сделана из редкоземельного феррит-граната, распространенного магнитного материала, который в СССР, например, производили для записи и хранения информации. Ферриты с высокой намагниченностью вообще часто используются в радиоэлектронике и вычислительных устройствах как магнитные материалы. В состав феррит-граната входят железо, кислород, ионы висмута и редкоземельных элементов — тулия, скандия и других. Экспериментируя с концентрацией редкоземельных ионов, исследователи могут менять магнитные и оптические свойства магнитных пленок в широких пределах. На них влияет и форма пленки: группа физика Белотелова сделала ее многослойной — если посмотреть на нее в разрезе, увидишь не прямоугольник, а лесенку. Впрочем, в самом РКЦ магнитные пленки не производят — их поставляют партнеры лаборатории из Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского в Симферополе.
Принцип работы сенсора довольно сложен. Пленка помещается в управляющее магнитное поле, которое колеблется синхронно с магнитным полем самой пленки. Если поместить сенсор во внешнее поле, которое и требуется измерить, синхронность колебаний нарушается, при регистрации магнитного сигнала появляются дополнительные гармоники, которые и измеряют ученые.
Для достижения высокой чувствительности важно научиться измерять сигнал с минимумом шумов. Это можно делать индукционным методом — на основе знакомого нам со школы явления электромагнитной индукции — либо оптическим. Ученые применяют оба подхода, но делают акцент на втором методе, так как он потенциально более чувствительный и позволит уменьшить размеры сенсорного элемента.
Для увеличения сигнала на ту же магнитную пленку наносится дополнительно слой металла, например золота. Полученный "сэндвич" — подложка из немагнитного материала в 500 микрон, магнитная пленка толщиной несколько микрон и решетка золота толщиной всего около сотни нанометров — образует магнито-плазмонный кристалл. Кристалл помещается во внешнее магнитное поле, снова возникает асимметрия во вращении намагниченности, но считывается эта асимметрия уже при помощи пучка света. Свет падает на структуру, отражается от нее или проходит через нее — интенсивность света и его поляризация меняются в зависимости от намагниченности. Регистрируя свойства света, прошедшего через материал или отраженного от него, ученые получают информацию о том, что происходит с намагниченностью пленки. А это позволяет подсчитать параметры внешнего магнитного поля.
Горячее сердце
Такие сенсоры могут применяться в устройствах для МКГ вместо СКВИДов (сверхпроводниковых квантовых интерференционных датчиков). СКВИД — это преобразователь магнитного потока в электрический сигнал. На основе таких датчиков можно сделать приборы для измерения любых физических величин, которые можно преобразовать в магнитный поток. СКВИДы имеют чрезвычайно низкий уровень собственных шумов — они работают на основе квантовых эффектов и при очень низкой температуре (-269°С). У датчиков, которые будут созданы в РКЦ, чувствительность составит 10-14 Тл в частотной полосе 1 Гц (магнитное поле измеряется в теслах, а частота, на которой ведутся замеры,— в герцах) — столько же, сколько у СКВИДов. Но СКВИДы работают при температуре жидкого гелия, а новые сенсоры смогут быть столь же точны при комнатной температуре. А еще они будут дешевле — до 300 тыс. руб., тогда как применяемые в медицине СКВИД-магнитометры стоят миллионы, говорит профессор Белотелов. Дороговизна СКВИД-магнитометров в основном обусловлена высокой стоимостью системы охлаждения до гелиевых температур.
Каким образом датчикам, созданным группой Белотелова, удастся сравниться по точности со СКВИДом? Все дело в том, что намагниченности разных участков пленки оказываются скоррелированными (взаимосвязанными) и все ее участки одновременно дают вклад в измерение магнитного поля, обеспечивая высокую энергию взаимодействия даже с ультрамалыми магнитными полями. За это ответственно обменное взаимодействие. Это исключительно квантовый эффект, который исчезает при переходе к классической механике. Однако расстояние, на котором намагниченности разных атомов пленки еще скоррелированы, обычно не столь велико. Исследователям из РКЦ удалось его существенно увеличить за счет использования пленок феррита-граната с высочайшим качеством кристаллической решетки, а также за счет правильно подобранной формы и состава.
Проблема и в том, что для точной диагностики МКГ с помощью СКВИДов нужен "чистый" фон без электромагнитных помех, а это сложно обеспечить в обычном кабинете поликлиники с самым разным оборудованием и пациентами, которые забывают отключать телефоны. Чтобы исключить влияние на МКГ-систему внешних помех, необходимо использовать магнитоэкранированные камеры. Еще и из-за этого СКВИДы очень дороги, и поэтому МКГ мало используют в клиниках. Датчики, тестируемые в РКЦ, смогут работать в неэкранированном пространстве, если объединить сенсоры в матрицу. Тогда МКГ-обследования, которые основаны на бесконтактном методе, можно будет проводить массово. Это важно, так как МКГ позволяет выявить многие опасные сердечные заболевания задолго до того, как их сможет "увидеть" ЭКГ.
Более сложный сенсор нужен для того, чтобы визуализировать магнитное поле. Такие измерения с высоким пространственным разрешением требуются, когда нужно составить карту магнитного поля, а не только рассчитать его значение по всей площади пленки — кругу диаметром 1 см. И здесь магнитооптический подход оказывается вне конкуренции. Чтобы понять, как магнитное поле в одной точке отличается от поля в другой точке, на расстоянии нескольких микрометров, нужно сфокусировать лазерный луч в пятно размером несколько микрон и перемещать его по магнитной пленке.
Такие датчики можно будет применить для магнитной энцефалографии — регистрации магнитных полей в коре головного мозга. В этой сфере разработке также предстоит вытеснить СКВИДы, но о параметрах чувствительности сенсоров и их цене пока говорить рано. У ученых РКЦ уже есть модели сенсора и созданы магнито-плазмонные кристаллы. Сейчас идут эксперименты с составом и формой материала, которые позволят добиться максимальной чувствительности и пространственного разрешения.
Подземные горизонты
У магнитных датчиков с высокой чувствительностью много потенциальных сфер применения. Например, в биомедицинской сфере сенсоры могут помочь проводить более эффективно клеточный иммуноферментный анализ. Такой метод диагностики предусматривает, что магнитные наночастицы используют в качестве меток: они прикрепляются к антителам, которые распознают соответствующие им антигены. Сенсоры могут позволить более точно определить, как взаимодействуют антиген и антитело, проанализировав характеристики возникающего магнитного поля прикрепленных к ним наночастиц.
Другая область внедрения — обеспечение связи под землей или под водой на больших расстояниях. Например, сейчас подлодки "общаются" между собой или с объектами на берегу по радиоволнам на сверхнизких частотах. Чтобы принимать такие сигналы, используют громоздкие магнитные антенны. Новые сенсоры размерами несколько сантиметров будут куда удобнее. К тому же возможно их применение в системах неразрушающего контроля: от систем для огромных труб до систем для микросхем. Вне зависимости от масштаба объекта, в котором нужно вовремя обнаружить дефект, сенсоры смогут работать по единому принципу — регистрации изменений магнитного поля.
Коллектив господина Белотелова получил грант от Российского научного фонда (РНФ) в 75 млн руб. на три года (первый транш в 25 млн руб. был получен в сентябре 2014 года) на фундаментальные исследования и разработку сенсоров для магнитокардиографии. До конца 2016 года, согласно задачам проекта РНФ, сенсоры для магнитокардиографии должны получить заявленный уровень чувствительности. В планах ученых — за два года увеличить чувствительность этих сенсоров в десять раз. Для проекта развития сенсоров для визуализации магнитного поля исследователи РКЦ надеются представить экспериментальный образец новых сенсоров до конца 2017 года.