Ogni battito del tuo cuore o esplosione di attività cerebrale si basa su minuscole correnti elettrofisiologiche che generano minuscole increspature nel campo magnetico circostante. Queste variazioni di campo forniscono la base per una serie di strumenti di ricerca e tecniche diagnostiche con nomi abbozzati come magnetoencefalografia (MEG) e magnetocardiografia (MCG). Ma attingere ai deboli campi magnetici della biologia richiede misure eroiche e costose, compresi scudi ad alta tecnologia per bloccare il più grande, forze magnetiche potenzialmente confondenti intorno a noi e sensori di campo magnetico boutique che richiedono un raffreddamento a elio liquido costoso e ingombrante.

Il nuovo programma DARPA Atomic Magnetometer for Biological Imaging In Earth's Native Terrain (AMBIIENT) è incentrato sull'introduzione del rilevamento del campo magnetico in una nuova era in cui i MEG, MCG, e un assortimento di altre tecniche di rilevamento del campo magnetico della lista dei desideri diventano realtà pratiche per una vasta gamma di applicazioni. Potenzialmente all'orizzonte, Per esempio, sono sistemi di sensori per il rilevamento di segnali spinali, diagnosi di commozioni cerebrali, e interfacce cervello-macchina (BMI) per usi come il controllo di arti protesici e macchine esterne tramite i sottili segnali magnetici associati al pensiero.

Alcuni elefanti nella stanza hanno impedito al rilevamento del campo biomagnetico di estendersi oltre i suoi limiti attuali. Il pianeta Terra è stato il più grande ronzio. Il suo campo magnetico medio è di 50 milionesimi di Tesla, un'unità di intensità del campo magnetico che prende il nome dall'inventore della metà del XIX e dell'inizio del XX secolo Nikola Tesla. Ciò significa che il campo magnetico terrestre è da un milione a un miliardo di volte più forte del 10 picoTesla (10 ^-11 Tesla) a 10 femtoTesla (10 ^-14 Tesla) campi magnetici emanati da corpi umani. Oltre a ciò, anche i più avanzati sensori di campo magnetico di oggi, basati, Per esempio, sui dispositivi superconduttori di interferenza quantistica (SQUID):soffrono di una gamma dinamica limitata, il che significa che non sono in grado di rispondere in modo affidabile in presenza di intensità di campo magnetico che abbracciano molti ordini di grandezza, come nel caso in cui i campi magnetici biologici si sovrappongono al magnetismo della Terra. Senza schermatura intensa, quei sussurri magnetici della biologia andrebbero persi nel frastuono assordante del magnetismo terrestre, anche con i migliori sensori disponibili in gioco.

"Tradizionalmente, misurare piccoli segnali magnetici in ambienti ambientali si è basata su coppie di sensori ad alte prestazioni separati da una distanza di base e quindi misurare le piccole differenze di intensità di campo tra i due sensori, " ha detto Robert Lutwak, Program manager di AMBIIENT nel Microsystems Technology Office di DARPA. "Questa tecnica gradiometrica ha funzionato bene per applicazioni nel rilevamento geofisico e nel rilevamento di ordigni inesplosi, "Lutwak ha aggiunto, "ma a causa della combinazione della gamma dinamica limitata dei sensori e della naturale variazione spaziale dei segnali di fondo, questo approccio è inferiore a diversi ordini di grandezza per essere in grado di rilevare segnali magnetici biologici".

Il programma AMBIIENT sta sfidando la comunità di ricerca a ideare nuovi tipi di gradiometri magnetici in grado di rilevare le firme magnetiche picoTesla e femtoTesla all'aperto, senza schermatura e con qualunque sia l'ambiente del campo magnetico ambientale. Per fare ciò sarà necessario che i ricercatori, nelle parole di Lutwak, "sfruttare nuove tecniche e architetture di fisica atomica per misurare direttamente gradienti estremamente piccoli nei campi magnetici senza dover confrontare la differenza tra le misurazioni del campo assoluto da due sensori separati lungo una linea di base". Un approccio basato sulla fisica che i performer di AMBIIENT potrebbero perseguire è monitorare i cambiamenti nella polarizzazione o altre caratteristiche misurabili di un piccolo raggio laser mentre passa attraverso le celle di vapore che ospitano atomi che rispondono in modi che alterano il raggio laser anche ai campi magnetici femtoTesla. Il monitoraggio dei cambiamenti nelle caratteristiche della luce laser aprirebbe quindi una finestra nuova e pratica sui campi magnetici che prima non erano misurabili in condizioni ambientali. Questo apre scenari in cui, dire, un medico su un campo di battaglia sarebbe in grado di brandire un sensore simile a una bacchetta per schermare rapidamente un combattente alla ricerca di segni di commozione cerebrale o altri traumi cranici scritti nei sottili campi magnetici del cervello

"Il rilevamento magnetico e l'imaging ad alta sensibilità offriranno un nuovo potente strumento per la ricerca medica e la diagnosi clinica dell'attività neurologica e cardiaca, " ha affermato Lutwak. "L'obiettivo della DARPA è ottenere la capacità di rilevamento magnetico ad alta sensibilità in un dispositivo a basso costo in grado di funzionare in ambienti comuni". inclusa la navigazione magnetica (MagNav) come backup, alternativa, o supplemento alla navigazione basata su GPS. Dotato del tipo di sensori che potrebbe emergere dal programma AMBIIENT, Per esempio, un aereo in volo ad altitudine di aereo di linea potrebbe essere in grado di tenere traccia delle variazioni del campo magnetico naturalmente variabili e ben mappate sulla superficie terrestre per determinare la sua posizione al di sopra del suolo entro circa 250 metri.