Ridurre il rumore della potenza del laser con un reticolo di polarizzazione in cristalli liquidi multifunzionale in magnetometri pompati otticamente miniaturizzati

Ascoltare i sussurri più deboli del cervello

Molti dei segnali più importanti nel nostro corpo sono campi magnetici estremamente deboli, generati dall’attività dei neuroni e dai battiti del cuore. Misurare questi sussurri richiede solitamente macchine grandi come stanze raffreddate con elio liquido. Questo articolo descrive un nuovo modo di realizzare sensori magnetici molto più piccoli, economici e stabili, che potrebbero un giorno rendere l’imaging ad alta risoluzione del cervello e del cuore più accessibile al di fuori di laboratori specializzati.

Perché i sensori magnetici compatti sono importanti

La rilevazione magnetica è cruciale in ambiti diversi come la mappatura della crosta terrestre, la ricerca di nuova fisica e la diagnosi di malattie neurologiche o cardiache. Le macchine oggi considerate standard d’oro si basano su dispositivi superconduttori che devono essere mantenuti a pochi gradi sopra lo zero assoluto, rendendoli costosi e difficili da spostare. I magnetometri pompati otticamente, al contrario, funzionano a temperatura ambiente o vicino ad essa. Usano luce laser e una piccola cella di vetro contenente atomi alcalini per “pompare” gli atomi in uno stato molto sensibile ai campi magnetici. Poiché questi sensori possono essere posizionati vicino al cuoio capelluto o al torace, promettono viste più nitide dell’attività cerebrale e cardiaca. La sfida è ridurli di dimensioni mantenendo bassa la loro rumorosità e alta la precisione.

Il problema delle ottiche ingombranti e dei laser rumorosi

I progetti convenzionali di questi magnetometri ottici impiegano un singolo fascio laser che prepara gli atomi e ne misura la risposta. Per funzionare correttamente, la luce deve essere modellata in una polarizzazione vorticosa molto specifica, di solito ottenuta con diversi elementi di vetro impilati che richiedono un’allineamento accurato. Queste parti voluminose occupano spazio, complicano l’assemblaggio e sono facilmente influenzate da variazioni di temperatura o piccoli spostamenti meccanici, che a loro volta alterano la polarizzazione e l’intensità della luce. Inoltre, anche piccole fluttuazioni nella potenza del laser si riflettono direttamente nell’uscita del sensore, mascherando i deboli segnali magnetici provenienti dal corpo. I metodi esistenti per ridurre questo rumore spesso richiedono ulteriore hardware, contrastando l’obiettivo della miniaturizzazione.

Un reticolo piatto e intelligente che svolge due funzioni contemporaneamente

Gli autori affrontano entrambe le problematiche usando un unico reticolo di polarizzazione in cristalli liquidi, piatto. Questo elemento a strato sottile è costituito da molecole di cristalli liquidi la cui orientazione ruota lentamente in un motivo periodico sulla superficie. Quando la luce laser linearmente polarizzata lo attraversa, il reticolo la converte in modo molto efficiente in due fasci di luce polarizzata circolarmente che si separano con un angolo significativo. Un fascio attraversa un minuscolo cubo contenente atomi di rubidio ed esce trasportando informazioni sul campo magnetico; l’altro funge da riferimento pulito. Poiché il reticolo dà forma alla polarizzazione e divide il fascio, sostituisce diversi elementi ottici convenzionali in un unico strato ultra-sottile. Il team dimostra che converte la luce alla lunghezza d’onda chiave con oltre il 95% di efficienza e una polarizzazione circolare quasi ideale, e che le sue prestazioni cambiano a malapena quando la polarizzazione d’ingresso, la temperatura o l’angolo del fascio variano.

Come il nuovo progetto riduce il rumore

Il cuore del nuovo sensore è uno schema di lettura differenziale reso possibile da questo reticolo intelligente. Dopo il reticolo, un fascio polarizzato circolarmente pompante allinea gli spin degli atomi di rubidio, che poi precessano in risposta a un campo magnetico esterno, modificando leggermente la quantità di luce che attraversa la cella. Un rivelatore misura questo fascio trasmesso. Il secondo fascio, identico, bypassa la cella e colpisce un rivelatore separato. Poiché entrambi i fasci provengono dallo stesso laser, qualsiasi fluttuazione nella potenza del laser compare in entrambi i rivelatori quasi nello stesso istante. Sottraendo elettronicamente i due segnali, il rumore comune del laser si annulla in larga misura, mentre il vero segnale magnetico—presente solo nel fascio che ha attraversato gli atomi—rimane. Esperimenti in un ambiente accuratamente schermato mostrano che la modalità a uscita singola di questo nuovo sensore già eguaglia o supera leggermente un progetto tradizionale. In modalità differenziale, la sensibilità migliora di circa il 28%, raggiungendo 8,6 femtotesla per radice di hertz, tutto in una sonda dal volume di soli quattro centimetri cubi.

Dal prototipo di laboratorio ai futuri scanner indossabili

Lo studio conclude che i reticoli di polarizzazione in cristalli liquidi offrono una via pratica verso magnetometri quantistici più piccoli, economici e affidabili. La struttura piatta e robusta del dispositivo può essere realizzata con processi maturi e ad alto rendimento della produzione di cristalli liquidi, offrendo un vantaggio rispetto a ottiche nanofabbricate più esotiche. Semplificando contemporaneamente il percorso ottico e riducendo il rumore del laser, la nuova architettura bilancia efficienza, stabilità e costi in modo adatto ad array di sensori posizionati attorno a testa o corpo. Con ulteriori perfezionamenti, come bilanciamento elettrico regolabile e controllo della direzione del fascio, questo approccio potrebbe sostenere la prossima generazione di sistemi portatili per l’imaging cerebrale e cardiaco, avvicinando misure magnetiche ultra‑sensibili all’uso clinico quotidiano.

Citazione: 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

Parole chiave: magnetometro pompato otticamente, imaging biomagnetico, reticolo di polarizzazione in cristalli liquidi, sensore quantistico, magnetoencefalografia