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Détecteurs de champ magnétique minuscules et sensibles
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé un nouveau type de magnétomètre, ou détecteur de champ magnétique, qui rivalise avec la sensibilité de ses prédécesseurs, mais est petit et bon marché et consomme très peu d'énergie.
Capteurs de rétrécissement : En haut, des atomes de métal à l'intérieur d'un cube de silicium (vert) sont alignés (flèches) avec la lumière d'un laser infrarouge brillant sur un détecteur (bleu). Au fond, en présence d'un champ magnétique faible, émis par exemple par une bombe, les atomes sont désalignés et peuvent désormais absorber la lumière du laser.
Les magnétomètres ont un large éventail d'applications potentielles : là où il y a un courant électrique, il y a un champ magnétique. Les mesures des champs magnétiques peuvent révéler des informations sur l'activité électrique du cœur et du cerveau humains, l'identité chimique d'un atome en rotation, ou simplement la présence ou l'absence de métal. En raison de leur petite taille et de leur sensibilité, les nouveaux capteurs promettent d'améliorer la détection des bombes et des battements cardiaques fœtaux, et pourraient être intégrés dans les futurs scanners d'imagerie par résonance magnétique (IRM).
Le nouveau capteur, développé par le physicien du NIST Jean Kitching , se compose d'un laser, d'une cellule contenant des atomes métalliques vaporisés et d'un détecteur de lumière. Lorsque les atomes métalliques sont illuminés par le laser, ils s'alignent de telle sorte qu'ils n'absorbent aucune lumière. Cependant, la présence d'un champ magnétique même très faible perturbe leur alignement et absorbe une partie de la lumière. Ce changement est enregistré par le détecteur.
D'autres chercheurs ont fabriqué des magnétomètres similaires, mais Kitching et son équipe ont utilisé des techniques de microfabrication pour miniaturiser la cellule à vapeur, qui dans leur appareil se compose d'un millimètre cube de silicium. Le laser est une diode infrarouge similaire à celles des lecteurs de CD, de sorte que les trois composants peuvent être montés sur des puces en silicium, ce qui les rend plus faciles à utiliser.
Pour des applications telles que la détection d'engins explosifs improvisés ou de munitions non explosées dans les champs de mines, la petite taille et la faible consommation d'énergie des capteurs du NIST pourraient faire une grande différence. Les capteurs pourraient être regroupés en matrices, permettant d'obtenir plus de données dans un laps de temps donné. Les détecteurs magnétiques à laser disponibles dans le commerce ont la taille de canettes de soda, nécessitent 20 watts de puissance et coûtent 20 000 $ chacun, il est donc impossible de les regrouper en réseaux.
Les agents d'assainissement utilisent ces grands capteurs pour détecter les mines terrestres non explosées et d'autres armes dans d'anciens champs de bataille, mais c'est une procédure fastidieuse, explique Mark Prouty, président de Géométrie , une entreprise de San Jose, en Californie, qui fabrique des capteurs magnétiques. Les capteurs lourds doivent être transportés dans les deux sens à travers un champ, puis ramenés à un bureau, où les données magnétiques sont synthétisées avec les données GPS pour créer des cartes. Ensuite, les ouvriers doivent retourner sur le terrain avec les cartes pour déterrer les armes.
Avec un ensemble de capteurs plus petits, il serait possible de collecter des données dans un instantané et de déterrer des [armes] sur le terrain, explique Prouty.
La détection des engins explosifs improvisés est également un gros problème pour les militaires, dit Prouty. Il est difficile de détecter ces bombes avec des capteurs magnétiques individuels car tout apparaît, y compris le véhicule sur lequel le capteur est monté, explique-t-il. Des capteurs uniques prennent des mesures ponctuelles ; ils peuvent détecter un objet contenant du métal comme une bombe, mais ne peuvent donner aucune information sur son emplacement ou sa forme. Un réseau de capteurs magnétiques pourrait donner une réponse sur place, explique Prouty.
Les mesures magnétiques sont également utilisées pour étudier le cerveau et le cœur. L'activité nerveuse dans le cerveau génère des champs magnétiques très faibles, environ 10 ordres de grandeur plus petits que ceux de la Terre. La mesure de ce faible biomagnétisme nécessite des détecteurs magnétiques très sensibles appelés SQUID, qui à leur tour nécessitent des matériaux supraconducteurs. Les SQUID les plus sensibles doivent être refroidis à quelques degrés près du zéro absolu avec de l'hélium liquide ; ils coûtent environ 2 millions de dollars.
Les magnétomètres de Kitching sont presque aussi sensibles que les SQUID et peuvent fonctionner à température ambiante. Il dit qu'ils sont actuellement suffisamment sensibles pour mesurer les champs magnétiques du cœur mais pas du cerveau. La surveillance cardiaque fœtale suscite beaucoup d'attention dans le domaine médical, mais elle est difficile car il n'est pas possible de placer des électrodes directement sur un fœtus in utero, explique Kitching. Les champs électriques n'atteignent pas la surface sans être affectés [par les tissus de la mère], mais les champs magnétiques le font, dit-il.
David Cohen , qui a effectué certaines des premières mesures du biomagnétisme dans les années 1960, dit que les magnétomètres de Kitching peuvent arriver au point où vous pouvez mesurer le cœur, mais il est sceptique quant à leur utilisation pour étudier l'activité cérébrale. Il doute qu'un appareil utilisant les capteurs du NIST pour détecter le biomagnétisme soit finalement moins cher que ceux qui reposent sur SQUID.
Une autre utilisation potentielle des capteurs concerne les futurs scanners IRM. Pour les mesures biologiques non invasives, cela pourrait être une chose vraiment intéressante, dit Yael Maguire , qui, avant de fonder ThingMagic, à Cambridge, MA, a travaillé sur la miniaturisation des détecteurs à résonance magnétique nucléaire, une technologie similaire à l'IRM. L'IRM nécessite actuellement sa propre salle, des techniciens spécialisés et un grand aimant puissant. Le coût d'accès aux machines est un problème avec l'IRM, explique Maguire. (Voir Better Pictures of Proteins.) Des magnétomètres très sensibles et bon marché comme celui de Kitching pourraient être incorporés dans les futurs scanners IRM, leur permettant d'utiliser des aimants plus petits, réduisant leur coût et les rendant potentiellement portables.
Mais de telles applications cliniques sont dans de nombreuses années. À l'heure actuelle, Kitching dit qu'il étudie le compromis entre la taille et la sensibilité des magnétomètres et qu'il conçoit également des puces pour les transporter.