Российские ученые улучшили квантовый магнитометр для сверхточной энцефалографии

Специалисты из СПбПУ создали новую цифровую модель квантово-оптического магнитометра. По их мнению, эта работа представляет собой значимый этап на пути улучшения методов, которые широко используются в медицинских исследованиях, таких как энцефалография и кардиография.

Исследователи усовершенствуют чувствительность датчиков к слабым магнитным полям, что позволит улучшить качество информации в магнитной энцефалографии и сделать процесс более удобным как для врачей, так и для пациентов. Для этого применяются магнитные особенности атомов в системе оптического квантового магнитометра.

Исследователям удалось разработать цифровую модель, которая помогает уменьшить размеры магнитных сенсоров. Это необходимо для повышения их численности и плотности размещения на голове человека при снятии энцефалограммы, а также минимизации их взаимного влияния.

Константин Баранцев, доцент из Высшей школы прикладной физики и космических технологий СПбПУ, пояснил, что один атом слишком мал, чтобы его сигнал можно было надежно зафиксировать устройствами, и поэтому в датчике присутствует множество атомов, находящихся в специальной стеклянной ячейке.

«В одной такой ячейке содержится около 100 миллиардов атомов щелочных металлов в газообразном состоянии на кубический сантиметр. Если их направить в одно направление, сигнал от их вращения проще обнаружить. Для управления квантовыми характеристиками и снятия сигнала задействуются несколько лазеров», — добавил он.

Комплексный подход

Константин Баранцев подчеркнул, что основной отличительной чертой их исследования является комплексный подход: в цифровой модели учтено влияние как магнитных полей, так и световой «накачки» атомов, влияние стенок ячейки и обменных эффектов во время столкновений атомов.

Во время расчетов ученые выявили, как взаимодействие атомов с внутренней поверхностью газовой ячейки влияет на точность магнитометра и как минимизировать это влияние.

По оценкам исследователей, результаты обладают значительной практической ценностью на фоне стремительного развития магнитной энцефалографии (МЭГ) — метода, который позволяет через регистрацию магнитных полей мозга изучать его активность, обнаруживать патологические очаги болезней, таких как эпилепсия, болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз. Магнитные сенсоры также находят применение в МРТ низких полей, гироскопии, навигации, геологии и космической физике.

Данные обрабатывали с помощью суперкомпьютера Политехнического» центра.