В рамках гранта «Исследование композитных мультиферроиков на основе сегнетоэлектрических монокристаллов с целью создания высокочувствительных магнитных сенсоров, в том числе для медицинских приборов» Российского научного фонда, группа ученых НИТУ «МИСиС» займется разработкой датчиков для магнитнокардиографии и магнитоэнцефалографии. Результаты исследования ученые представят к 2020 году.
Одним из важных трендов в развитии современной медицины является переход к неинвазивным способам диагностики заболеваний. Это, в частности, методики, направленные на детектирование и измерение сверхслабых магнитных полей, индуцируемых электрическими токами, протекающими в нервных клетках.
Изучение таких магнитных полей в области центральной нервной системы называют магнитоэнцефалографией, а в области сердечной мышцы — магнитокардиографией. Главным преимуществом этих методик перед различными видами томографии является возможность исследовать быстропротекающие процессы. Это позволяет диагностировать на ранних стадиях и исследовать такие заболевания, как рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, шизофрения, хронический алкоголизм, а также невралгии различного генезиса. В то же время, потребность детектирования сверхслабых магнитных полей вынуждает использовать в качестве магнитного датчика сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы). Однако для стабильной работы таких датчиков требуется постоянно охлаждать аппарат, а это приводит к усложнению конструкции и существенному удорожанию прибора.
Летом 2018 года команда ученых кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков (МПиД) НИТУ «МИСиС» выиграла грант Российского научного фонда на разработку датчиков сверхслабых магнитных полей на основе композитных мультиферроиков. В Рабочую группу вошли: руководитель проекта, старший научный сотрудника центра коллективного пользования «Материаловедение и металлургия» Дмитрий Киселев, заведующий кафедрой МПиД Юрий Пархоменко, доценты кафедры Михаил Малинкович и Александр Быков, инженер Андрей Турутин, ассистент кафедр Илья Кубасов и аспирант Александр Кислюк.
Композитные мультиферроики — материалы, способные эффективно преобразовывать внешнее магнитное поле в электрический сигнал.
В разрабатываемых композитных мультиферроиках в качестве одного слоя используются бидоменные кристаллы ниобата лития (LiNbO3), а в качестве другого — магнитострикционные аморфные металлы (Метглас). Данная конфигурация композитного мультиферроика была разработана в сотрудничестве НИТУ «МИСиС» и Университета Авейру (Португалия). Исследования магнитоэлектрических свойств композитных материалов на основе бидоменных кристаллов ниобата лития начались на кафедре в 2014 году, в рамках совместной работы с приглашённым ученым, профессором Николаем Соболевым из Университета Авейру (Португалия).
В проекте будут изучены факторы, влияющие на чувствительность таких материалов к магнитному полю, а также разработаны решения, направленные на получение максимума соотношения «полезный сигнал-шум» в сверхчувствительных сенсорах магнитного поля.
Накопленный опыт позволит усовершенствовать методики измерения предела детектирования магнитного поля при помощи композитных мультиферроиков.
На сегодняшний день чувствительность первых лабораторных прототипов достигает 200 фТл (фемтотесла =
Рис. 1 3D-модель датчика магнитного поля на основе композитных мультиферроиков.
Рис. 2 Фото лабораторного прототипа сенсора.
Исследования проводятся в рамках гранта РНФ № 18-79-10265.
