Дослідники з Японії розробили датчик на основі алмазів, який відображає тонкі електричні струми всередині серця. На чолі з Такаюкі Івасакі в Токійському технологічному інституті команда заснувала свій пристрій на основі флуоресценції центрів азотних вакансій (NV) в алмазах. Вони використовували свій датчик для вимірювання магнітних полів, створених електричними струмами, що проходять у серцях живих щурів, і дослідники кажуть, що роздільна здатність пристрою 5.1 мм є безпрецедентною.
Деякі захворювання серця, включаючи тахікардію та фібриляцію, викликані недосконалістю того, як електричні струми передаються через серце. Для діагностики цих станів кардіологи використовують магнітокардіографію (МКГ): безконтактний метод дистанційного вимірювання магнітних полів, створюваних електричними струмами в серці.
Роздільна здатність MCG обмежена такими факторами, як розмір датчика та робоча температура. Наприклад, датчики на основі надпровідників дуже добре виявляють невеликі магнітні поля, але їх потрібно зберігати при дуже низьких температурах. У результаті ці датчики повинні знаходитися на деякій відстані від серця, тому вони не можуть визначити струми на міліметровій шкалі. Це означає, що вони не можуть повністю розпізнати складні обертальні хвилі, викликані шлуночковими аритміями.
Дефекти атомного масштабу
Щоб створити датчик з вищою роздільною здатністю, команда Івасакі використовувала центри азотних вакансій (NV), які є атомними дефектами в алмазі. У NV-центрі пара сусідніх атомів вуглецю в алмазній решітці замінена атомом азоту та порожнім простором. Центр NV по суті є ізольованим квантовим спіном, який дуже чутливий до зовнішнього магнітного поля. Більше того, він випромінює флуоресцентне світло таким чином, що залежить від інтенсивності та напрямку поля. Ці властивості можна поєднати для створення магнітного датчика з оптичним зчитуванням.
Квантовий датчик міг виявити SARS-CoV-2
Івасакі та його колеги створили датчик з алмазного чіпа з високою щільністю NV-центрів. Працюючи при кімнатній температурі, вони розмістили датчик лише за кілька міліметрів від сердець живих щурів. NV-центри освітлювалися зеленим лазером, а фотодіод використовувався для захоплення випромінюваного флуоресцентного світла. Команда Івасакі також розробила математичну модель для перекладу вимірювань флуоресценції у відповідні магнітні поля. Це дозволило їм створити детальні 2D-зображення електричної активності в серцях із роздільною здатністю 5.1 мм. Дослідники сподіваються, що їхні датчики значно полегшать кардіологам вивчення походження та прогресування багатьох різних типів захворювань серця у пацієнтів, що потенційно призведе до нових методів діагностики та лікування цих захворювань. З подальшими вдосконаленнями датчик також можна використовувати для виявлення навіть більш тонких електричних струмів, що виникають в інших частинах тіла.
Дослідження описано в Фізика комунікацій.
