Физики записали магнитное поле сердечных сокращений компактным квантовым датчиком на основе алмаза. Датчик работал при комнатной температуре, без контакта с телом и даже вне экранированных лабораторных помещений. Результаты опубликованы в Science Advances.
Сердце создаёт не только электрические импульсы, которые показывает ЭКГ, но и очень слабое магнитное поле. Регистрировать его можно бесконтактно через магнитокардиографию, однако обычно для этого нужны либо охлаждаемые сверхпроводящие датчики, либо громоздкие оптические приборы. Команда из Майнца и Штутгарта попробовала другой путь — использовать дефекты в кристаллической решётке алмаза.
В алмазе исследователи задействовали так называемые NV-центры: место, где атом азота соседствует с пустотой вместо атома углерода. Квантовое состояние электронов в таком дефекте меняется при воздействии магнитного поля. Лазер и микроволны позволяют отслеживать эти изменения через флуоресценцию алмаза и превращают крошечный кристалл в датчик магнитного поля.
Учёные протестировали три независимых варианта датчика в разных условиях: в магнитно-экранированной комнате и в обычном пространстве с помехами. Объём измеряющей части не превышал 0,5 мм³. Чувствительность была в диапазоне 6–26 пикотесла на корень из герца. Во всех трёх конфигурациях удалось восстановить характерную сигнатуру магнитокардиограммы.
Портативный прибор пока невозможен. Одиночный удар сердца производит сигнал слишком слабый для текущих датчиков. Учёные синхронизировали измерения с обычной ЭКГ и усредняли данные от нескольких сотен до тысяч циклов. Для уверенной регистрации одного сердцебиения нужна чувствительность примерно в 1 пикотесла на корень из герца — примерно в десять раз лучше, чем сейчас.
Основная помеха вне лаборатории — магнитный шум окружения. Поля от электросети и оборудования намного сильнее сигнала от сердца. Поэтому исследователи собрали градиометр из двух датчиков. Система сравнивает их показания и подавляет общие помехи, оставляя только локальное поле от организма. Так удалось снизить низкочастотный фон почти в сто раз.
Команда планирует усилить сигнал магнитными концентраторами, которые направляют силовые линии в объём алмаза. Такие конструкции могут увеличивать поле в несколько десятков раз и работают при комнатной температуре.
Магнитокардиография — только первое применение. Миниатюрные датчики на основе NV-центров потенциально подходят для разделения сигналов матери и плода, регистрации активности нервов во время операций и создания переносных систем для картирования активности мозга. Опубликованная работа показала, что принцип работает. Чтобы создать медицинский прибор, нужна существенно большая чувствительность и результаты без долгого усреднения данных.
