Onderdrukking van laser-vermogenruis met een multifunctioneel vloeibaar-kristal polarisatierooster in miniaturiseerde optisch gepompte magnetometers

Luisteren naar de stilste fluisteringen van de hersenen

Veel van de belangrijkste signalen in ons lichaam zijn ongelooflijk zwakke magnetische velden, veroorzaakt door het afvuren van zenuwcellen en het kloppen van het hart. Het meten van deze fluisteringen vereist doorgaans kamerbrede machines die met vloeibare helium gekoeld worden. Dit artikel beschrijft een nieuwe manier om veel kleinere, goedkopere en stabielere magnetische sensoren te bouwen, die op termijn hoogresolutie beeldvorming van hersen- en hartactiviteit buiten gespecialiseerde laboratoria toegankelijker kunnen maken.

Waarom kleine magnetische sensoren ertoe doen

Magnetische detectie is essentieel in gebieden zo uiteenlopend als het in kaart brengen van de aardkorst, het zoeken naar nieuwe fysica, en het diagnosticeren van neurologische of hartziekten. De huidige gouden standaard gebruikt supergeleidende apparaten die bij enkele graden boven het absolute nulpunt moeten worden gehouden, wat ze duur en lastig verplaatsbaar maakt. Optisch gepompte magnetometers werken daarentegen rond kamertemperatuur. Ze gebruiken laserlicht en een kleine glazen cel met alkalimatomen om de atomen in een speciale toestand te ‘pomp’en die extreem gevoelig is voor magnetische velden. Omdat deze sensoren dicht op de schedel of borst geplaatst kunnen worden, beloven ze scherpere beelden van hersen- en hartactiviteit. De uitdaging is ze te verkleinen zonder precisie en stilte te verliezen.

Het probleem van omvangrijke optiek en luidruchtige lasers

Conventionele ontwerpen voor deze optische magnetometers gebruiken één laserbundel die zowel de atomen voorbereidt als hun respons onderzoekt. Om dit goed te doen moet het licht in een zeer specifieke draaiende polarisatie worden gevormd, meestal bereikt met meerdere opgestapelde glaselementen die nauwkeurig uitgelijnd moeten zijn. Deze omvangrijke onderdelen nemen ruimte in, bemoeilijken de assemblage en zijn gevoelig voor temperatuurschommelingen of kleine mechanische verschuivingen, wat op zijn beurt de polarisatie en intensiteit van het licht verstoort. Daarbovenop vertalen zelfs kleine schommelingen in het laservermogen zich rechtstreeks naar het sensoruitgangssignaal en maskeren zo de zeer zwakke magnetische signalen uit het lichaam. Bestaande methoden om deze ruis te dempen voegen vaak nog meer hardware toe, wat haaks staat op het doel van miniaturisatie.

Een vlak, slim rooster dat twee taken tegelijk uitvoert

De auteurs pakken beide problemen tegelijk aan met een enkel vlak vloeibaar-kristal polarisatierooster. Dit waferachtige element bestaat uit vloeibaar-kristalmoleculen waarvan de oriëntatie geleidelijk draait in een zich herhalend patroon over het oppervlak. Wanneer lineair gepolariseerd laserlicht erdoorheen gaat, zet het rooster het zeer efficiënt om in twee bundels van circulair gepolariseerd licht die onder een aanzienlijke hoek uit elkaar lopen. De ene bundel gaat door een klein kubusje met rubidiumatomen en komt eruit met informatie over het magnetische veld; de andere dient als een schoon referentiesignaal. Omdat het rooster zowel de polarisatie vormt als de bundel splitst, vervangt het meerdere conventionele optische componenten in één ultradunne laag. Het team toont aan dat het licht op de relevante golflengte met meer dan 95% efficiëntie omzet en bijna ideale circulaire polarisatie produceert, en dat de prestaties nauwelijks veranderen wanneer de invoerpolarisatie, temperatuur of hoek van de bundel verschuift.

Hoe het nieuwe ontwerp de ruis dempt

Het hart van de nieuwe sensor is een differentiële uitlezing mogelijk gemaakt door dit slimme rooster. Na het rooster pompt één circulair gepolariseerde bundel de rubidiumatomen; hun spins lijnen uit en beginnen te precesseren als reactie op een extern magnetisch veld, waardoor de hoeveelheid doorgelaten licht licht verandert. Een detector meet deze doorgelaten bundel. De tweede, identieke bundel omzeilt de cel en raakt een aparte detector. Omdat beide bundels uit dezelfde laser afkomstig zijn, verschijnen eventuele fluctuaties in laservermogen in beide detectors vrijwel gelijktijdig. Door de twee signalen elektronisch van elkaar af te trekken, valt de gemeenschappelijke laserruis grotendeels weg, terwijl het echte magnetische signaal—alleen aanwezig in de bundel die door de atomen ging—overblijft. Experimenten in een zorgvuldig afgeschermde omgeving tonen dat de single-ended modus van deze nieuwe sensor al gelijk is aan of iets beter presteert dan een traditioneel ontwerp. In differentiële modus verbetert de gevoeligheid met ongeveer 28%, tot 8,6 femtotesla per vierkantswortel hertz, alles in een probe van slechts vier kubieke centimeter volume.

Van labprototype naar toekomstige draagbare scanners

De studie concludeert dat vloeibaar-kristal polarisatieroosters een praktische weg bieden naar kleinere, goedkopere en betrouwbaardere quantummagnetometers. De vlakke, robuuste structuur van het apparaat kan worden vervaardigd met volwassen, hoogdoorvoermethoden voor vloeibaar-kristalproductie, wat een voordeel biedt ten opzichte van meer exotische nanogefabriceerde optica. Door tegelijkertijd de optische keten te vereenvoudigen en de laserruis te verminderen, balanceert de nieuwe architectuur efficiëntie, stabiliteit en kosten op een wijze die goed geschikt is voor arrays van sensoren rondom het hoofd of lichaam. Met verdere verfijningen, zoals elektrisch instelbare balans en bundelsturing, zou deze aanpak de basis kunnen vormen voor volgende-generatie draagbare systemen voor hersen- en hartbeeldvorming, en extreem gevoelige magnetische metingen dichter bij dagelijks klinisch gebruik brengen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: optisch gepompte magnetometer, biomagnetische beeldvorming, vloeibaar-kristal polarisatierooster, quantumsensor, magneto-encefalografie