Физики зарегистрировали магнитное поле человеческого сердца с помощью компактных квантовых датчиков на алмазах, работающих при комнатной температуре и без контакта с телом. Эксперименты прошли в том числе вне многослойных магнитных экранов, хотя нынешней чувствительности пока недостаточно для записи сердцебиения в реальном времени. Работа международной группы опубликована 16 сентября в рецензируемом журнале Science Advances.
Сердечная мышца при сокращении создаёт не только электрические импульсы, которые регистрирует обычная ЭКГ, но и чрезвычайно слабое магнитное поле. Магнитокардиография позволяет измерять такой сигнал бесконтактно, однако современные установки обычно используют сверхпроводящие SQUID-датчики с криогенным охлаждением либо оптические магнитометры. Группа из Университета Майнца, Штутгартского университета и компании Q.ANT проверила другой подход на основе дефектов кристаллической решётки алмаза.
В алмазе исследователи использовали так называемые NV-центры, где атом азота соседствует с пустым местом в решётке вместо атома углерода. Квантовое состояние электронов в таком дефекте зависит от окружающего магнитного поля. Лазер и микроволновое излучение позволяют считывать изменения состояния по флуоресценции алмаза и превращать крошечный кристалл в высокочувствительный магнитометр.
Авторы испытали три независимо разработанных варианта датчика в разных условиях, от многослойной магнитно-экранированной комнаты до обычной неэкранированной среды. Активный объём сенсоров составлял менее 0,5 мм³, а чувствительность находилась в диапазоне от 6 до 26 пикотесла на корень из герца. Во всех трёх конфигурациях исследователи смогли восстановить характерную магнитокардиограмму человеческого сердца.
До карманного квантового кардиографа пока далеко. Сигнал отдельного удара сердца слишком слаб для нынешней установки, поэтому учёным пришлось синхронизировать измерения с обычной ЭКГ и усреднять данные от нескольких сотен до нескольких тысяч сердечных циклов. Авторы оценивают, что для уверенной регистрации одного сердцебиения потребуется чувствительность примерно 1 пикотесла на корень из герца, то есть приблизительно на порядок лучше использованных сенсоров.
Главная проблема за пределами экранированной лаборатории связана даже не с сердцем, а с окружающим магнитным шумом. Поля от электросети, оборудования и других источников многократно сильнее полезного сигнала. Поэтому исследователи также собрали градиометр из двух алмазных сенсоров. Система сравнивает показания датчиков и подавляет общие помехи, сохраняя локальное поле от организма. В экспериментах такой подход снизил низкочастотный фоновый шум почти на два порядка.
Команда рассчитывает дополнительно усилить сигнал с помощью магнитных концентраторов, направляющих силовые линии в небольшой объём алмаза. По данным Университета Майнца, подобные структуры способны увеличивать поле внутри сенсора более чем в сто раз и при этом работать при комнатной температуре.
Авторы рассматривают магнитокардиографию лишь как первое практическое применение. Миниатюрные NV-датчики потенциально подходят для разделения сигналов сердца беременной женщины и плода, регистрации нервной активности во время операций и создания переносных систем магнитной энцефалографии. Однако опубликованная работа демонстрирует прежде всего работоспособность принципа. До медицинского прибора исследователям предстоит добиться значительно большей чувствительности и устойчивой работы без длительного усреднения сигнала.
