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Rivelatori di campo magnetico minuscoli e sensibili
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un nuovo tipo di magnetometro, o rilevatore di campo magnetico, che rivaleggia con la sensibilità dei suoi predecessori, ma è piccolo ed economico e utilizza pochissima energia.
Sensori di restringimento: In alto, gli atomi di metallo all'interno di un cubo di silicio (verde) sono allineati (frecce) con la luce di un laser a infrarossi che colpisce un rilevatore (blu). In fondo, in presenza di un debole campo magnetico – emesso, ad esempio, da una bomba – gli atomi vengono spostati fuori allineamento e possono ora assorbire la luce dal laser.
I magnetometri hanno una vasta gamma di potenziali applicazioni: dove c'è una corrente elettrica, c'è un campo magnetico. Le misurazioni dei campi magnetici possono rivelare informazioni sull'attività elettrica del cuore e del cervello umani, sull'identità chimica di un atomo rotante o semplicemente sulla presenza o assenza di metallo. A causa delle loro piccole dimensioni e sensibilità, i nuovi sensori promettono di migliorare il rilevamento di bombe e battiti cardiaci fetali e potrebbero essere incorporati in futuri scanner di risonanza magnetica (MRI).
Il nuovo sensore, sviluppato dal fisico NIST John Kitching , consiste in un laser, una cella contenente atomi di metallo vaporizzato e un rilevatore di luce. Quando gli atomi di metallo sono illuminati dal laser, si allineano in modo tale da non assorbire la luce. La presenza anche di un campo magnetico molto debole, tuttavia, interrompe il loro allineamento e assorbono parte della luce. Questa modifica viene registrata dal rilevatore.
Altri ricercatori hanno realizzato magnetometri simili, ma Kitching e il suo team hanno utilizzato tecniche di microfabbricazione per miniaturizzare la cella di vapore, che nel loro dispositivo è costituita da un millimetro cubo di silicio. Il laser è un diodo a infrarossi simile a quelli delle unità CD, quindi tutti e tre i componenti possono essere montati su chip di silicio, rendendoli più facili da utilizzare.
Per applicazioni come il rilevamento di ordigni esplosivi improvvisati o ordigni inesplosi nei campi minati, le dimensioni ridotte e il basso consumo energetico dei sensori NIST potrebbero fare una grande differenza. I sensori potrebbero essere raggruppati in array, rendendo possibile ottenere più dati in un determinato periodo di tempo. I rilevatori magnetici basati su laser disponibili in commercio hanno le dimensioni di lattine di soda, richiedono 20 watt di potenza e costano $ 20.000 ciascuno, quindi raggrupparli in matrici è impraticabile.
Gli addetti alle bonifiche utilizzano questi grandi sensori per rilevare mine terrestri inesplose e altre armi negli ex campi di battaglia, ma è una procedura noiosa, afferma Mark Prouty, presidente di geometriche , una società di San Jose, CA, che produce sensori magnetici. I sensori pesanti devono essere trasportati avanti e indietro attraverso un campo, quindi riportati in un ufficio, dove i dati magnetici vengono sintetizzati con i dati GPS per creare mappe. Poi gli operai devono tornare al campo con le mappe per dissotterrare le armi.
Con una serie di sensori più piccoli, sarebbe possibile raccogliere dati in un'istantanea e scavare [armi] sul campo, afferma Prouty.
Il rilevamento di ordigni esplosivi improvvisati è anche un grosso problema per i militari, afferma Prouty. È difficile rilevare queste bombe con i singoli sensori magnetici perché tutto appare, compreso il veicolo su cui è montato il sensore, spiega. I sensori singoli effettuano misurazioni puntuali; possono rilevare un oggetto contenente metallo come una bomba ma non possono fornire alcuna informazione sulla sua posizione o forma. Una serie di sensori magnetici potrebbe dare una risposta sul posto, afferma Prouty.
Le misurazioni magnetiche vengono utilizzate anche per studiare il cervello e il cuore. L'attività nervosa nel cervello genera campi magnetici molto deboli, circa 10 ordini di grandezza più piccoli di quelli terrestri. La misurazione di questo debole biomagnetismo richiede rilevatori magnetici altamente sensibili chiamati SQUID, che a loro volta richiedono materiali superconduttori. I SQUID più sensibili devono essere raffreddati entro pochi gradi dallo zero assoluto con elio liquido; costano circa 2 milioni di dollari.
I magnetometri di Kitching sono sensibili quasi quanto i calamari e possono funzionare a temperatura ambiente. Dice che attualmente sono abbastanza sensibili da misurare i campi magnetici dal cuore ma non dal cervello. Il monitoraggio del cuore fetale sta ricevendo molta attenzione in campo medico, ma è difficile perché non è possibile posizionare gli elettrodi direttamente su un feto in utero, afferma Kitching. I campi elettrici non arrivano in superficie inalterati [dai tessuti della madre], ma i campi magnetici sì, dice.
David Cohen , che ha effettuato alcune delle prime misurazioni del biomagnetismo negli anni '60, afferma che i magnetometri di Kitching potrebbero arrivare al punto in cui è possibile misurare il cuore, ma è scettico sul fatto che verranno utilizzati per studiare l'attività cerebrale. Dubita che un dispositivo che utilizza i sensori NIST per rilevare il biomagnetismo finisca per essere più economico di quelli che si basano su SQUID.
Un altro potenziale utilizzo dei sensori è nei futuri scanner MRI. Per le misure biologiche non invasive, questa potrebbe essere una cosa davvero interessante, afferma Yael Maguire , che, prima di fondare ThingMagic, a Cambridge, MA, ha lavorato alla miniaturizzazione dei rivelatori di risonanza magnetica nucleare, una tecnologia simile alla risonanza magnetica. La risonanza magnetica attualmente richiede una propria stanza, tecnici specializzati e un magnete grande e potente. Il costo dell'accesso alle macchine è un problema con la risonanza magnetica, afferma Maguire. (Vedi immagini migliori delle proteine.) Magnetometri altamente sensibili ed economici come quelli di Kitching potrebbero essere incorporati nei futuri scanner MRI, consentendo loro di utilizzare magneti più piccoli, riducendo i loro costi e rendendoli potenzialmente portatili.
Ma tali applicazioni cliniche sono lontane molti anni. In questo momento, Kitching dice che sta studiando il compromesso tra le dimensioni e la sensibilità dei magnetometri e sta anche progettando dei chip per trasportarli.