Nghiên cứu não bằng cảm biến từ trường

Các nhà vật lý Mỹ đã phát triển một linh kiện rất tiện dụng với độ nhạy đủ để ghi nhận từ trường từ các tín hiệu điện trong não. Với một tế bào nhỏ được bao phủ bởi các đám hơi nguyên tử Rubidium (Rb), cảm biến có thể ghi nhận được từ trường nhỏ tới 70 fT (10-15 T), có nghĩa là nhỏ hơn một tỉ lần so với từ trường Trái Đất. (Theo nghiên cứu vừa công bố trên Nature Photonics 1, 649 - 652 (2007)).

Mặc dù giá trị 70 fT vẫn chưa phải là độ nhạy tốt nhất so với một từ kế sử dụng thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID - Superconducting Quantum Interference Device) có thể ghi nhận sự thay đổi từ trường nhỏ tới 3 fT nhưng điều quan trọng là cảm biến mới này hoạt động ở ngay nhiệt độ phòng. Đây là điểm mạnh vượt trội của cảm biến này so với từ kế SQUID, thiết bị chỉ có thể hoạt động khi được làm lạnh xuống nhiệt độ rất thấp (thậm chí gần không độ tuyệt đối) để đạt được độ nhạy nói trên - và khiến nó trở nên khó sử dụng và rất đắt tiền.



Nhóm của John Kitching cùng các cộng sự ở Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Hoa Kỳ (NIST), ở Boulder, Colorado đã xây dựng thành công cảm biến mới này. Cảm biến chứa một tế bào nhỏ 6mm3 được phủ bởi các khí kim loại kiềm (ví dụ như Rubidium), rất nhạy với những sự thay đổi nhỏ của từ trường.

Khi một ánh sáng laser phân cực tròn chiếu qua tế bào, thì hầu hết đều truyền qua nếu các spin của các nguyên tử Rubidium đều hướng theo cùng chiều. Thế nhưng nếu mẫu được đặt gần tế bào, từ trường của nó khiến cho các spin không còn định hướng theo chiều cùng nhau nữa và thế là ánh sáng laser bị nguyên tử hấp thụ. Lượng ánh sáng hấp thụ phụ thuộc vào cường độ từ trường.

Tuy nhiên, để có thể trở thành một hệ tiện dụng, tế bào phải được bao bọc trong các cơ cấu quang học thu nhỏ và một cảm biến ánh sáng. Tuy nhiên, cơ cấu như thế này lại không đòi hỏi các thiết bị tạo nhiệt độ thấp như trong thiết bị từ kế SQUID, thậm chí nó có thểtự hoạt động và có thể triển khai cho các khu vực cần sự điều khiển từ xa, ví dụ như ở sân bay, để khi nhận từ trường từ các vật kim loại kiểu như bom, mìn...

Một ứng dụng triển khai ngay tức khắc là vẽ biểu đồ tín hiệu điện sản sinh bởi não mà không cần tác động, thậm chí các tín hiệu đến từ tim của thai nhi còn chưa sản sinh. Thật sự thì nhóm nghiên cứu của NIST cũng đã sử dụng linh kiện này để ghi nhận tín hiệu từ trường từ tim của một con chuột, và họ hi vọng có thể cải thiện độ nhạy của thiết bị lên tới 10 fT, có thể cho phép thực hiện các chức năng nghiên cứu não tốt hơn.




st.