قمع ضوضاء طاقة الليزر باستخدام شبكة استقطاب سائلة متعددة الوظائف في مقاييس مغناطيسية مضخة ضوئياً مُصغَّرة

الاستماع إلى أهدأ همسات الدماغ

العديد من أهم الإشارات في أجسامنا هي حقول مغناطيسية شديدة الضعف، تنشأ عن إطلاق الخلايا العصبية وضربات القلب. قياس هذه الهمسات عادة يتطلب آلات بحجم الغرفة ومبرَّدة بالهيليوم السائل. تَصِف هذه الورقة طريقة جديدة لبناء أجهزة استشعار مغناطيسية أصغر بكثير، وأرخص، وأكثر استقراراً، قد تجعل ذات يوم تصوير الدماغ والقلب عالي الدقة متاحاً خارج المختبرات المتخصصة.

لماذا تهم أجهزة الاستشعار المغناطيسية الصغيرة

الاستشعار المغناطيسي حاسم في مجالات متنوعة مثل رسم قشرة الأرض والبحث عن فيزياء جديدة وتشخيص الأمراض العصبية أو القلبية. تعتمد آلات المعيار الذهبي الحالية على أجهزة فائقة التوصيل التي يجب إبقاؤها على بعد عدة درجات فقط فوق الصفر المطلق، ما يجعلها مكلفة وصعبة النقل. بالمقابل، تعمل المقاييس المغناطيسية المضخَّة ضوئياً عند درجة حرارة الغرفة أو قربها. تستخدم ضوء الليزر وخلية زجاجية صغيرة من ذرات القلوية لـ "ضخ" الذرات إلى حالة خاصة شديدة الحساسية للحقل المغناطيسي. وبما أن هذه المجسات يمكن أن تجلس بالقرب من فروة الرأس أو الصدر، فإنها تعد بمناظير أوضح لنشاط الدماغ والقلب. التحدي كان في تصغيرها مع الحفاظ على هدوئها ودقتها.

مشكلة البصريات الضخمة والليزرات الصاخبة

التصاميم التقليدية لهذه المقاييس البصرية تستخدم شعاع ليزر واحد يُعدّ الذرات ويستكشف استجاباتها في آن واحد. للقيام بذلك بشكل صحيح، يجب تشكيل الضوء إلى استقطاب دوامي محدد جداً، عادة بتحقيق ذلك عبر عدة عناصر زجاجية مكدسة تحتاج لمحاذاة دقيقة. هذه الأجزاء الضخمة تشغل مساحة، تعقد التجميع، وتتأثر بسهولة بتغيرات الحرارة أو الانزلاقات الميكانيكية الصغيرة، مما يخل بالاستقطاب وشدة الضوء. علاوة على ذلك، حتى الارتجاجات الصغيرة في طاقة الليزر تظهر مباشرة في خرج الجهاز، مما يخفِي الإشارات المغناطيسية الضعيفة من الجسم. الطرق الحالية للتعامل مع هذا الضجيج غالباً ما تضيف مزيداً من العتاد، مما يتعارض مع هدف التصغير.

شبكة مسطحة ذكية تقوم بوظيفتين في وقت واحد

يتناول المؤلفون هاتين المشكلتين معاً باستخدام شبكة استقطاب سائلة مسطحة واحدة متعددة الوظائف. يتكون هذا العنصر الشبيه بالويفر من جزيئات الكريستال السائل التي يلتف توجيهها تدريجياً في نمط متكرر على السطح. عندما يمر ضوء ليزر مستقطب خطياً عبرها، تحول الشبكة الضوء بكفاءة عالية إلى شعاعين من الضوء المستدير الاستقطاب الذي ينفصلان عن بعضهما بزاوية كبيرة نسبياً. يمر أحد الشعاعين عبر مكعب صغير يحتوي على ذرات الروبيديوم ويخرج وهو يحمل معلومات عن الحقل المغناطيسي؛ بينما يعمل الشعاع الآخر كمرجع نظيف. بما أن الشبكة تشكل الاستقطاب وتجزئ الشعاع في آن واحد، فإنها تحل محل عدة مكونات بصرية تقليدية في طبقة رقيقة للغاية. يبيّن الفريق أنها تحول الضوء عند الطول الموجي الرئيس بكفاءة تزيد عن 95% واستقطاب دائري شبه مثالي، وأن أدائها يتغير بالكاد مع انحراف استقطاب الدخل أو درجة الحرارة أو زاوية الشعاع.

كيف يخفض التصميم الجديد الضوضاء

جوهر المجس الجديد هو مخطط قراءة تفاضلي ممكن بفضل هذه الشبكة الذكية. بعد الشبكة، يقوم أحد الشعاعين المستديرين الاستقطاب بضخ ذرات الروبيديوم، فتتراصف سبيناتها ثم تدور استجابة لحقل مغناطيسي خارجي، مما يغيّر قليلاً مقدار الضوء المار عبر الخلية. يقيس كاشف هذا الشعاع المار. يتجاوز الشعاع الثاني، المطابق له، الخلية ويصل إلى كاشف منفصل. وبما أن كلا الشعاعين مصدرهما نفس الليزر، فإن أي تذبذب في طاقة الليزر يظهر في كلا الكاشفين تقريباً في نفس الوقت. بطرح الإشارتيْن إلكترونياً يلغي الضجيج المشترك لليزر إلى حد كبير، بينما يبقى الإشارة المغناطيسية الحقيقية — الموجودة فقط في الشعاع الذي مر عبر الذرات. تُظهر التجارب في بيئة محمية بعناية أن وضع المخرج الأحادي لهذا المجس الجديد يضاهي أو يتفوق قليلاً على التصميم التقليدي. وعند التشغيل في الوضع التفاضلي، تتحسّن الحساسية بنحو 28%، لتصل إلى 8.6 فيمتو تسلا لكل جذر هرتز، وكل ذلك في مسبار حجمه أربعة سنتيمترات مكعبة فقط.

من نموذج مختبري إلى ماسحات قابلة للارتداء في المستقبل

تخلص الدراسة إلى أن شبكات الاستقطاب السائلة توفر مساراً عملياً نحو مقاييس مغناطيسية كمية أصغر، أرخص، وأكثر موثوقية. يمكن تصنيع بنية الجهاز المسطحة والصلبة باستخدام عمليات تصنيع الكريستال السائل الناضجة وعالية الإنتاجية، مما يمنحه ميزة على البصريات النانوفابريكية الأكثر غرابة. من خلال تبسيط السلسلة البصرية وخفض ضوضاء الليزر في آن واحد، يحقق المعمار الجديد توازناً بين الكفاءة والاستقرار والتكلفة بشكل مناسب لمصفوفات من المجسات الموضوعة حول الرأس أو الجسم. مع تحسينات إضافية، مثل موازنة قابلة للضبط كهربائياً وتوجيه الحزم، يمكن أن تؤسس هذه الطريقة أنظمة تصوير دماغية وقلبية محمولة من الجيل القادم، وتقرّب قياسات مغناطيسية فائقة الحساسية من الاستخدام السريري اليومي.

الاستشهاد: Cui, Z., Xiao, X., Wei, Z. et al. Suppressing laser-power noise with a multifunctional liquid crystal polarization grating in miniaturized optically pumped magnetometers. Microsyst Nanoeng 12, 161 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01297-y

الكلمات المفتاحية: مقياس مغناطيسي مضاء ضوئياً, تصوير مغناطيسي حيوي, شبكة استقطاب سائلة, مستشعر كمي, تخطيط الدماغ المغناطيسي