فناوری جدید به شناسایی کوچکترین میدان های مغناطیسی تولید شده در شبکه های عصبی کمک می کند

در ژوئیه 2018 ، یک پروژه تحقیقاتی با رویکرد کاملاً نوآورانه برای اندازه گیری میدان های مغناطیسی در بافت در موسسه Fraunhofer برای کاربرد فیزیک حالت جامد IAF آغاز شد: دانشمندان در فرایبورگ برای دستیابی به میدان آهنربا بسیار حساس مراکز NV در الماس را تولید و بهینه می کنند آشکارسازهایی که در دمای اتاق کار می کنند و به این معنی اولین مغناطیس سنج آستانه لیزر را تولید می کنند. کوچکترین میدان های مغناطیسی ، مانند آنهایی که در شبکه های عصبی یا از طریق امواج مغزی تولید می شوند ، با این فناوری قابل تشخیص هستند که این امر باعث پیشرفت تشخیص پزشکی می شود. این پروژه تحقیقاتی با عنوان "الماس CVD با دوپ NV برای مغناطیس سنج آستانه لیزر بسیار حساس" ، کوتاه "DiLaMag" ، توسط وزارت آموزش و تحقیقات فدرال آلمان (BMBF) پشتیبانی می شود.

  

اندازه گیری میدان های مغناطیسی به یک روش استاندارد در تشخیص پزشکی تبدیل شده است. کوچکترین جریانهای الکتریکی در داخل سلولهای عصبی مغز و قلب جریان دارند و میدان های مغناطیسی ضعیفی را تولید می کنند. سنسورهای میدان مغناطیسی دقیق قادر به اندازه گیری فعالیت مغز (MEG) یا قلب (MKG) و انجام مراحل تصویربرداری مانند توموگرافی تشدید مغناطیسی (MRT) به منظور تشخیص بیماری ها هستند. با این وجود ، دقت مورد نیاز برای این اندازه گیری ها فقط توسط چند سنسور میدان مغناطیسی بسیار حساس حاصل می شود که معمولاً در خنک سازی با دمای پایین کار می کنند.

اندازه گیری های میدان مغناطیسی بسیار دقیق در دمای اتاق

»بیشتر مغناطیس سنج ها برای اندازه گیری سیگنال های ضعیف مغز دقیق نیستند. سنسورهای میدان مغناطیسی بسیار حساس ، مانند سنسورهای SQUID ، فقط با خنک کننده شدید کار می کنند ، که استفاده از آنها را بسیار پرهزینه و از نظر فنی پیچیده می کند. دکتر Jan Jeske ، محقق Fraunhofer IAF و مدیر پروژه »DiLaMag« ، توضیح می دهد: فن آوری های حسگر ابتکاری مانند مراکز خالی نیتروژن (مراکز NV) یا مغناطیس سنج سلول بخار می توانند به یک گزینه مهم تبدیل شوند.

فرصت های نوآورانه برای فن آوری های حسگر بسیار حساس از طریق تحقیق در مورد سیستم های فیزیکی کوانتومی جدید و از طریق افزایش اساس مواد سنسورها بوجود می آیند. در این راستا ، پروژه تحقیقاتی »DiLaMag« می خواهد با کمک مراکز جای خالی نیتروژن اتمی به مغناطیس سنجی بسیار آستانه لیزر برسد. برای این منظور ، دانشمندان Fraunhofer IAF بر روی ساخت اولین کریستال های لیزر الماس با دوپینگ بسیار بالا NV در جهان کار می کنند. حسگرهای میدان مغناطیسی بسیار حساس ، مناسب برای کاربردهای بیولوژیکی ، به عنوان مثال امکان اندازه گیری فعالیت های مغزی و قلبی نوزادان متولد شده را فراهم می کند و بنابراین به درمان قبل از تولد بیماری ها کمک می کند. وزارت آموزش و تحقیقات آلمان (BMBF) از این پروژه پنج ساله به عنوان بخشی از رقابت جوانان "NanoMatFutur" - برنامه ای برای ارتقا دانشمندان جوان و با مهارت در زمینه تولید مواد (FKZ: 13XP5063) پشتیبانی می کند.

الماس به عنوان یک لیزر متوسط

مغناطیس سنجی آستانه لیزر (LSM) یک رویکرد تحقیقاتی کاملاً جدید است. چه چیز جدیدی در مورد آن است: الماس دوپ شده NV به عنوان یک محیط لیزر به منظور توسعه مغناطیس سنج های آستانه لیزر بسیار دقیق استفاده می شود. جسکه این مفهوم را در زمان تحصیل در دوره دکترا در دانشگاه RMIT ملبورن توسعه داد. »ایده مهم LSM مبتنی بر مفهوم استفاده از ماده ای به عنوان محیط لیزر است که دارای تشدید مغناطیسی نوری است. الماس با تراکم بالای مراکز NV به دلیل ویژگی های ماده استثنایی مخصوصاً به عنوان محیط لیزر مناسب است «، توضیح می دهد Jeske. دانشمندان انتظار دارند سیگنال های قوی تر و کنتراست های بیشتری با الماس دوپ شده با NV به عنوان واسطه لیزر داشته باشند ، که به نتایج دقیق تر اندازه گیری منجر می شود. »یک مزیت اساسی استفاده از مراکز NV در الماس در دمای اتاق است ، زیرا آنها خواص کوانتومی خود را حفظ می کنند - برخلاف سنسورهای SQUID ، به گفته این دانشمند.

مراکز خالی نیتروژن در الماس

مرکز خالی نیتروژن (مراکز NV) سیستم های اتمی متشکل از یک اتم نیتروژن و یک جای خالی کربن در داخل یک الماس است. آنها نور سبز را جذب می کنند و نور قرمز را ساطع می کنند. از آنجا که درخشندگی این مراکز NV به شدت یک میدان مغناطیسی خارجی بستگی دارد و از آنجا که این مراکز فقط به اندازه یک اتم هستند ، می توان از آنها برای اندازه گیری میدان های مغناطیسی با تفکیک مکانی و حساسیت بالا استفاده کرد.

"اصل اندازه گیری بر اساس رقابت بین انتشار خود به خودی تحریک شده است ، که می تواند توسط کوچکترین میدان های مغناطیسی تحت تأثیر قرار گیرد" ، توصیف Jeske است. اثبات اینکه مفهوم عملکردهای LSM نه تنها از لحاظ تئوریک توسط آزمایشات اولیه ارائه شده است: »آزمایشات به وضوح نشان داده است که الماس NV انتشار تحریک شده ای را نشان می دهد و بنابراین اصولاً به عنوان ماده لیزر مناسب است. گام بعدی بهبود خصوصیات نوری الماس و ساخت سیستم اندازه گیری واقعی است "، می گوید: Jeske ، که پس از هفت سال اقامت طولانی در استرالیا ، اخیراً به صحنه تحقیقات آلمان بازگشت.

راه اندازی آزمایشگاه لیزر NV Diamond

با تلفیق سه صلاحیت اصلی Fraunhofer IAF ، یعنی رشد الماس ، فناوری لیزر و الکترونیک با فرکانس بالا ، می توان سریع مغناطیس سنجی کوانتومی را از مبانی اولیه به سیستم های کاربردی منتقل کرد. تیم تحقیقاتی »DiLaMag« اکنون در مرحله اولیه کار خود ایستاده است: اولین مرحله پرورش الماس از طریق روش CVD مبتنی بر پلاسما و درمان آنها به گونه ای است که تلفات ناشی از جذب ، پراکندگی و پراکندگی مضاعف را به حداقل برساند. چالش در این فرآیند غنی سازی الماس با هر چه بیشتر مراکز NV بدون کاهش کیفیت مواد است. پس از آن ، تیم پروژه قصد دارد لایه های الماس با تراکم NV بهینه در داخل راکتورهای CVD پلاسما Fraunhofer IAF تولید کند و پارامترهای فیزیکی و نوری مربوطه را توصیف کند. زیرساخت های مورد نیاز در حال حاضر در Fraunhofer IAF ایجاد شده است.

اهداف پروژه و همکاری

هدف از مرحله اول پروژه بهبود خصوصیات مواد الماس بسیار NV-doped ، و همچنین تجزیه و تحلیل آن ، به منظور تولید بلورهای لیزر بهینه شده و توسعه اولین مظاهر LSM است. مرحله دوم پروژه بر بهبود بیشتر حساسیت و اندازه گیری سیگنال های میدان مغناطیسی سلول های بیولوژیکی متمرکز است. این پروژه همچنین از همکاری نزدیک با SIGMA Medizin-Technik GmbH (فناوری پزشکی آموزشی ویبولیتین) ، که تجهیزات فنی را برای اولین بار مقایسه بیولوژیکی فراهم می کند ، استفاده می کند. این پروژه از طرف پزشکی نیز پشتیبانی می شود ، زیرا کارشناسان در زمینه مغناطیسی زیستی از بیمارستان دانشگاه فرایبورگ و هایدلبرگ اولین اندازه گیری ها را همراهی می کنند.