Эффект мухоловки. Передовые методы атомной магнитометрии разрабатывают в Новосибирске

Магнитно-резонансная томография используется в медицине уже полвека. Чтобы исследовать, например, структуру головного мозга, пациента помещают в камеру, где создается очень сильное магнитное поле — не менее 1,5 тесла, то есть примерно в десять тысяч раз сильнее, чем поле Земли, и возбуждают магнитный резонанс.
Но современные методы позволяют уловить сверхслабые магнитные поля нашего мозга (в миллиард раз слабее упомянутого земного поля), не помещая человека в дорогостоящий и громоздкий томограф, а надев на него шлем с миниатюрными атомными магнитометрами, экранированными от внешних воздействий.
Стать лидерами в разработке передовых методов атомной магнитометрии команде сибирских ученых из Института лазерной физики, Института физики полупроводников, Института автоматики и электрометрии СО РАН и Новосибирского государственного университета позволил совместный проект, поддержанный Российским фондом фундаментальных исследований (ныне — Российский центр научной информации), «Исследование новых магнитооптических эффектов, связанных с долгоживущими когерентными состояниями в атомах щелочных металлов для приложений в области квантовой магнитометрии», реализованный в 2021-2023 годах.
Почувствовать биомагнетизм
— О чувствительности квантовых атомных магнитометров может свидетельствовать один любопытный пример. Биологи десятилетиями гадали, существует ли биомагнетизм растений. Иными словами, способны ли растения излучать магнитные поля в процессе жизнедеятельности.
Классическими датчиками зарегистрировать биомагнетизм не удавалось, и лишь появление атомных магнитометров, причем уже второго поколения, позволило зафиксировать образование магнитного поля у известного «зеленого хищника» Венериной мухоловки. Растение охотится на своих жертв с помощью ловчего аппарата, образованного из краевых частей листьев.
И исследователям удалось зарегистрировать явление биомагнетизма именно в тот момент, когда мухоловка захлопывает ловушку и поедает муху, — рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории квантовых сенсоров Института лазерной физики СО РАН (ИЛФ СО РАН) кандидат физико-математических наук Денис Бражников.
К прорывам в области создания сенсоров привели теоретические исследования. В американском Национальном институте стандартов и технологий была группа, занимавшаяся исследованиями в области магнитометрии. Ведущие ученые этой группы затем организовали коммерческие фирмы и стали производить миниатюрные квантовые сенсоры для медицинских приложений. Но, к счастью, теоретическим заделом могла похвастаться не только Америка.
— Магнитооптическими явлениями занимались и в СССР, и в России, существуют известные научные школы — академика Евгения Александрова, Антона Вершовского, Владимира Величанского и других ученых с мировым именем. Мы работаем в области прецизионной лазерной спектроскопии с 1980-х годов, — поясняет руководитель проекта РФФИ член-корреспондент РАН Алексей Тайченачев. — Теоретическая группа по прецизионной лазерной спектроскопии, лазерному охлаждению атомов и магнитооптике была создана Анатолием Тумайкиным, Валерием Юдиным и мной в НГУ в начале 1990-х годов.
И после обнаружения ряда интересных явлений нам пришло в голову, что передовые спектроскопические методы можно использовать для разработки и создания новых типов атомных магнитометров. Позже, в 2000-х годах, наша группа частично переместилась в ИЛФ СО РАН. Мы тесно сотрудничали с коллегами из различных научных центров, в том числе из Института электроники Болгарской академии наук, с лабораторией Стефки Карталевой (ныне подразделение возглавляет Санка Гатева), вот и решили подать заявку на совместный проект. Атомные магнитометры очень быстро развиваются в последнее время, и с их помощью уже была продемонстрирована чувствительность измерений магнитного поля, превосходящая чувствительность сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков — сквидов (от англ. squid).
Сквиды десятилетиями удерживали пальму первенства в медицине, где использовались для проведения магнитной энцефалографии (МЭГ), но атомные магнитометры еще и на несколько порядков компактнее и энергоэффективнее, а также стоят в десятки раз меньше. Очевидно, что за такими устройствами будущее. Мы стали работать в этом направлении, но пошли альтернативным путем.

Без лишнего нагрева
Уже упомянутые миниатюрные квантовые сенсоры магнитного поля обладают рядом преимуществ, и их начинают активно внедрять в сферу медицинской диагностики, однако есть у этих магнитометров и существенные недостатки.
— Одна из проблем — нагрев сенсоров, — подчеркивает Денис Бражников. — Атомы в ячейке необходимо нагреть до температуры около 150°C. Понятно, что такой прибор к голове не приложишь. Путем изоляции ячейки и ее отдаления от исследуемого объекта удается снизить температуру корпуса сенсора до 45 градусов, что все равно не очень комфортно, особенно если магнитометров несколько десятков, как, например, в случае магнитной энцефалографии.
К тому же эти манипуляции приводят к потере чувствительности сенсора. Мы разработали методы, которые позволяют нагревать атомы внутри ячейки всего до 60 градусов. Снаружи такой сенсор благодаря простой термоизоляции будет нагреваться лишь до температуры человеческого тела.
А чтобы измерить магнитное поле, в различных типах атомных магнитометров используются разные конфигурации лазерного поля. Это поле применяется как для приготовления нужного квантового состояния атомов, так и для считывания информации о поведении атомов во внешнем магнитном поле. Можно придумать такую конфигурацию лазерного поля, которая позволяла бы с помощью миниатюрной ячейки с атомами получать очень хороший сигнал.
И в рамках проекта РФФИ мы предложили, испытали и опубликовали несколько таких схем. В частности, один из широко используемых методов измерения магнитного поля основан на эффекте Фарадея, при котором линейная поляризация света поворачивается при распространении в ячейке с атомами. Для этого, как правило, используются атомы щелочных металлов (рубидия, цезия или калия). В миниатюрных сенсорах, основанных на этом эффекте, поворот поляризации на один проход ячейки обычно не превышает одного-двух градусов.
Нами же был предложен новый метод, основанный на сильном линейном дихроизме, который наводится в среде лазерным пучком — «накачкой». Другой пучок — «пробный» — распространяется в такой специально подготовленной среде резонансных атомов, при этом происходит поворот поляризации на углы, составляющие десятки градусов. Соответственно, магнитный сенсор, работающий на этом принципе, может быть гораздо более чувствительным, а размер ячейки с атомами не меняется.
Миниатюрные сенсоры особенно важны для медицинской диагностики — магнитной кардиографии, магнитной энцефалографии, магнитной нейрографии и магнитной ретинографии. Однако возможности использования атомных магнитометров медициной не ограничиваются.
Под землей и в космосе
— В 2023 году Европейским космическим агентством к Юпитеру была запущена космическая миссия JUICE, — рассказывает Денис Викторович. — Ее цель — изучение трех лун этой планеты (Ганимеда, Каллисто и Европы) в поисках жизни. А поиск жизни начинается с поиска воды под поверхностью луны, для чего опять же необходимы магнитометры. И на спутнике, полетевшем к лунам Юпитера, установлен квантовый атомный магнитометр. До этого подобные сенсоры в таких миссиях не использовались — обходились классическими (то есть менее чувствительными) методами.
— И не стоит забывать о традиционной области использования магнитометров — поиске полезных ископаемых и решении других геофизических задач. Есть различные типы сенсоров: одни могут работать только в экранированных условиях, т. е. внешнее магнитное поле надо убирать, другим земное магнитное поле не мешает, их можно, в частности, использовать для мониторинга поля Земли, — добавляет Алексей Владимирович.
В рамках проекта РФФИ, а также других, более ранних, проектов в лаборатории квантовых сенсоров было создано несколько современных установок, на двух из них работа продолжается прямо сейчас, уже в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда. Одна установка — как раз для измерения магнитных полей в условиях земного поля, с перспективой геофизических приложений, другая работает в экранированных условиях, приближенных к используемым в медицинской диагностике.
— Наша цель — уловить изменения, невидимые глазом, — демонстрирует установку Денис Бражников. — Используется миниатюрная ячейка кубической формы (5х5х5 мм3), наполненная металлическим рубидием, мы его подогреваем для достижения требуемой концентрации паров атомов рубидия и возбуждаем инфракрасным излучением лазера, а дальше идут фотоприем и анализ сигнала. Еще одно преимущество атомных магнитометров в том, что для их разработки не требуется дорогостоящих установок.
В ходе реализации проекта разработанные в Сибири методы высокочувствительной атомной магнитометрии были испытаны, в частности, в Болгарии: их применили для тестирования металлических микродорожек. Такие элементы могут в дальнейшем использоваться в изготовлении нейтронных протезов и гибридных бионических систем.
— Мы очень благодарны Российскому фонду фундаментальных исследований, и нам очень не хватает его грантов для поисковых исследований, — сетует руководитель проекта. — В команде проекта было много молодых ученых, один из них — Антон Макаров — вскоре будет защищать кандидатскую диссертацию по материалам нашей работы.
Хочу подчеркнуть, что помимо большого количества высокорейтинговых публикаций, выступлений на престижных конференциях главный итог нашей работы — создание отличного задела для будущих проектов. А на конференции в Майнце, в которой мы участвовали в рамках проекта РФФИ, мы убедились, что наши методы можно использовать и для решения сугубо фундаментальных задач.
Поймать кандидата
— В Майнце, в Институте Гельмгольца, работает профессор Дмитрий Будкер, сын знаменитого академика Г.И.Будкера, основателя Института ядерной физики СО АН СССР, — продолжает Алексей Тайченачев. — Его идея — искать при помощи магнитометрии темную материю.
— Физики до сих пор не знают, из чего состоит темная материя, — раскрывает подробности Денис Бражников.
— Разброс частиц-кандидатов потрясающий: от сверхлегких до невероятно тяжелых. Каждую из этих частиц пробуют ловить разными способами. И один из вероятных кандидатов — аксион — может взаимодействовать с поляризованными атомами, которые есть в наших магнитометрах.
Следы этого взаимодействия мы можем увидеть в процессе измерений. Наша планета движется и в галактике, и вокруг Солнца. Темная материя — некая субстанция, неоднородно распределенная в пространстве. Если какие-то волны темной материи проходят сквозь Землю, глобальная сеть магнитометров получает шанс их уловить.
Это очень похоже на то, как сейчас улавливают гравитационные волны. И такая сеть для поиска темной материи под названием GNOME усилиями Дмитрия Будкера уже создана и развивается. А наши методы также могут быть использованы для этих целей. Помимо этой сегодня есть еще несколько магнитометрических сетей.
Например, сеть INTERMAGNET для изучения так называемой «космической погоды» существует давно, станции расположены по всей планете, даже вблизи Академгородка есть одна. Но там пока работают классические магнитометры.
Перспективность новых методов сомнений не вызывает. Если вернуться к медицинской тематике, в чем именно видят мои собеседники преимущество атомных магнитометров? Прежде всего в стоимости. Вспомним, что современный томограф хорошего разрешения стоит около миллиона долларов. И к тому же дорог в обслуживании: использование сквидов — криогенная технология, требующая специального оборудования и сверхнизких температур. А атомный магнитометр можно приобрести сегодня в 50 раз дешевле — за 15-20 тысяч долларов. Неудивительно, что в США такие сенсоры стремительными темпами пробивают дорогу в медицинскую диагностику. В нашей стране ситуация сложнее.
— Мы не уступаем зарубежным коллегам в плане развития методов, наши исследования дают прямой выход на практические приложения, — считает Алексей Тайченачев. — Но сколько бы мы ни писали в наших научных статьях, какие у нас замечательные методы магнитометрии, медицинская сфера очень консервативна.
Пока мы не убедим известных медиков в преимуществе наших методов, далеко не продвинемся. Сейчас работаем над созданием сенсоров для их демонстрации. Выход на уровень опытно-конструкторских работ подразумевает наличие конкретных заказчиков, чтобы ставить реальные задачи. И поиск индустриальных партнеров — это большая и сложная работа, которая нам еще предстоит.

Ольга КОЛЕСОВА
На снимках: Алексей Тайченачев, Гаэтано Милети и Валерий Юдин на международном симпозиуме
по современным проблемам лазерной физики, ДУ СО РАН, 2016 год;
Денис Бражников на экспериментальном стенде исследует магнитооптические резонансы Ханле.
Фотоснимки предоставлены А.Тайченачевым и Д.Бражниковым