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Detectores de campo magnético diminutos y sensibles
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un nuevo tipo de magnetómetro, o detector de campo magnético, que rivaliza con la sensibilidad de sus predecesores, pero es pequeño, barato y utiliza muy poca energía.
Sensores de contracción: En la parte superior, los átomos de metal dentro de un cubo de silicio (verde) están alineados (flechas) con la luz de un láser infrarrojo que brilla sobre un detector (azul). En la parte inferior, en presencia de un campo magnético débil, emitido, por ejemplo, por una bomba, los átomos se desalinean y ahora pueden absorber la luz del láser.
Los magnetómetros tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales: donde hay una corriente eléctrica, hay un campo magnético. Las mediciones de campos magnéticos pueden revelar información sobre la actividad eléctrica del corazón y el cerebro humanos, la identidad química de un átomo en rotación o simplemente la presencia o ausencia de metal. Debido a su pequeño tamaño y sensibilidad, los nuevos sensores prometen mejorar la detección de bombas y latidos fetales, y podrían incorporarse en futuros escáneres de imágenes por resonancia magnética (IRM).
El nuevo sensor, desarrollado por el físico del NIST John Kitching , consta de un láser, una celda que contiene átomos de metal vaporizados y un detector de luz. Cuando los átomos de metal son iluminados por el láser, se alinean de tal manera que no absorben la luz. Sin embargo, la presencia de un campo magnético incluso muy débil altera su alineación y absorben parte de la luz. Este cambio es registrado por el detector.
Otros investigadores han hecho magnetómetros similares, pero Kitching y su equipo utilizaron técnicas de microfabricación para miniaturizar la celda de vapor, que en su dispositivo consiste en un milímetro cúbico de silicio. El láser es un diodo infrarrojo similar a los de las unidades de CD, por lo que los tres componentes se pueden montar en chips de silicio, lo que facilita su trabajo.
Para aplicaciones como la detección de artefactos explosivos improvisados o municiones sin detonar en campos minados, el tamaño pequeño y el bajo consumo de energía de los sensores NIST podrían marcar una gran diferencia. Los sensores se pueden agrupar en matrices, lo que permite obtener más datos en un período de tiempo determinado. Los detectores magnéticos basados en láser disponibles comercialmente son del tamaño de latas de refresco, requieren 20 vatios de potencia y cuestan $ 20,000 cada uno, por lo que agruparlos en matrices es impracticable.
Los trabajadores de remediación usan estos grandes sensores para detectar minas terrestres sin detonar y otras armas en antiguos campos de batalla, pero es un procedimiento tedioso, dice Mark Prouty, presidente de Geometría , una empresa de San José, CA, que fabrica sensores magnéticos. Los sensores pesados deben transportarse de un lado a otro a través de un campo, luego llevarlos de regreso a una oficina, donde los datos magnéticos se sintetizan con los datos del GPS para hacer mapas. Luego, los trabajadores deben regresar al campo con los mapas para desenterrar las armas.
Con una serie de sensores más pequeños, sería posible recopilar datos en una instantánea y desenterrar [armas] en el campo, dice Prouty.
La detección de artefactos explosivos improvisados también es un gran problema para los militares, dice Prouty. Es difícil detectar estas bombas con sensores magnéticos individuales porque todo aparece, incluido el vehículo en el que está montado el sensor, explica. Los sensores individuales toman medidas puntuales; pueden detectar un objeto que contiene metal, como una bomba, pero no pueden dar ninguna información sobre su ubicación o forma. Una serie de sensores magnéticos podría dar una respuesta en el acto, dice Prouty.
Las mediciones magnéticas también se utilizan para estudiar el cerebro y el corazón. La actividad nerviosa en el cerebro genera campos magnéticos muy débiles, aproximadamente 10 órdenes de magnitud más pequeños que los de la Tierra. La medición de este biomagnetismo débil requiere detectores magnéticos altamente sensibles llamados SQUID, que a su vez requieren materiales superconductores. Los CALAMARES más sensibles deben enfriarse a unos pocos grados del cero absoluto con helio líquido; cuestan alrededor de $ 2 millones.
Los magnetómetros de Kitching son casi tan sensibles como los SQUID y pueden funcionar a temperatura ambiente. Dice que actualmente son lo suficientemente sensibles como para medir los campos magnéticos del corazón, pero no del cerebro. La monitorización cardíaca fetal está recibiendo mucha atención en el campo médico, pero es difícil porque no es posible colocar electrodos directamente en un feto en el útero, dice Kitching. Los campos eléctricos no llegan a la superficie sin ser afectados [por los tejidos de la madre], pero los campos magnéticos sí, dice.
David Cohen , quien hizo algunas de las primeras mediciones de biomagnetismo en la década de 1960, dice que los magnetómetros de Kitching pueden llegar al punto en que se puede medir el corazón, pero es escéptico de que se utilicen para estudiar la actividad cerebral. Duda que un dispositivo que use los sensores NIST para detectar biomagnetismo termine siendo más barato que los que se basan en SQUID.
Otro uso potencial de los sensores es en futuros escáneres de resonancia magnética. Para las medidas biológicas no invasivas, esto podría ser algo realmente interesante, dice Yael Maguire , quien, antes de fundar ThingMagic, en Cambridge, MA, trabajó en la miniaturización de detectores de resonancia magnética nuclear, una tecnología similar a la resonancia magnética. Actualmente, la resonancia magnética requiere su propia habitación, técnicos especializados y un imán grande y potente. El costo de acceso a las máquinas es un problema con la resonancia magnética, dice Maguire. (Consulte Mejores imágenes de proteínas). Los magnetómetros baratos y altamente sensibles como el de Kitching podrían incorporarse en futuros escáneres de resonancia magnética, permitiéndoles usar imanes más pequeños, reduciendo su costo y potencialmente haciéndolos portátiles.
Pero esas aplicaciones clínicas faltan muchos años. En este momento, Kitching dice que está estudiando la compensación entre el tamaño y la sensibilidad de los magnetómetros y también está diseñando chips para transportarlos.