Dämpning av laser‑kraftbrus med ett multifunktionellt flytande kristall‑polarisationsgitter i miniatyriserade optiskt pumpade magnetometrar

Lyssna på hjärnans tystaste viskningar

Många av de viktigaste signalerna i våra kroppar är oerhört svaga magnetfält, skapade av neuroner som avfyrar och av hjärtats slag. Att mäta dessa viskningar kräver vanligtvis rumsstora maskiner kylda med flytande helium. Den här artikeln beskriver ett nytt sätt att bygga mycket mindre, billigare och stabilare magnetiska sensorer som en dag skulle kunna göra högupplöst hjärt‑ och hjärnavbildning mer tillgänglig utanför specialiserade laboratorier.

Varför små magnetsensorer spelar roll

Magnetisk mätning är avgörande inom områden så olika som kartläggning av jordskorpan, sökandet efter ny fysik och diagnostik av neurologiska eller hjärtsjukdomar. Dagens guldkantade system bygger på supraledande enheter som måste hållas några grader över absoluta nollpunkten, vilket gör dem dyra och svåra att flytta. Optiskt pumpade magnetometrar arbetar däremot vid eller nära rumstemperatur. De använder laserljus och en liten glaskammare med alkalimetaller för att ”pumpa” atomerna till ett tillstånd som är extremt känsligt för magnetfält. Eftersom dessa sensorer kan placeras nära skalpen eller bröstkorgen lovar de skarpare bilder av hjärt‑ och hjärnaktivitet. Utmaningen har varit att krympa dem samtidigt som de förblir tysta och precisa.

Problemet med klumpig optik och brusiga lasrar

Konventionella konstruktioner för dessa optiska magnetometrar använder en enda laserstråle som både förbereder atomerna och undersöker deras respons. För att göra detta korrekt måste ljuset formas till en mycket specifik virvlande polarisering, vanligtvis uppnådd med flera staplade glaselement som kräver noggrann inriktning. Dessa klumpiga delar tar plats, komplicerar monteringen och störs lätt av temperaturförändringar eller små mekaniska förskjutningar, vilket i sin tur rubbar polariseringen och intensiteten hos ljuset. Dessutom syns även små fluktuationer i laserns effekt direkt i sensorutgången och döljer de mycket svaga magnetiska signalerna från kroppen. Befintliga metoder för att tygla detta brus lägger ofta till ännu mer hårdvara, vilket motverkar målet om miniaturisering.

Ett platt, smart gitter som gör två jobb samtidigt

Författarna tar itu med båda problemen samtidigt genom att använda ett enda platt polarisationsgitter av flytande kristall. Detta wafer‑lika element består av flytande kristallmolekyler vars orientering långsamt vrider sig i ett upprepat mönster över ytan. När linjärt polariserat laserljus passerar genom omvandlar gitteret det mycket effektivt till två strålar med cirkulärt polariserat ljus som avviker från varandra i en betydande vinkel. Den ena strålen går genom en liten kub innehållande rubidiumatomer och kommer ut med information om magnetfältet; den andra fungerar som en ren referens. Eftersom gitteret både formar polariseringen och delar upp strålen ersätter det flera konventionella optiska element i ett ultratunt skikt. Teamet visar att det omvandlar ljus vid nyckelvåglängden med över 95 % effektivitet och nästan idealisk cirkulär polarisering, och att dess prestanda knappt förändras när indata‑polariseringen, temperaturen eller strålens infallsvinkel drar sig.

Hur den nya designen tystar bruset

Kärnan i den nya sensorn är ett differentiellt avläsningsschema möjliggjort av detta smarta gitter. Efter gitteret pumpar en cirkulärt polariserad stråle rubidiumatomerna, vars spinn alignerar och sedan precesserar som svar på ett yttre magnetfält, vilket något ändrar hur mycket ljus som passerar genom cellen. En detektor mäter denna transmittanta stråle. Den andra, identiska strålen kringgår cellen och träffar en separat detektor. Eftersom båda strålarna kommer från samma laser syns alla fluktuationer i laserstyrkan i båda detektorerna nästan samtidigt. Genom att elektroniskt subtrahera de två signalerna avklingar det gemensamma laserbruset i stor utsträckning, medan den verkliga magnetiska signalen—som bara finns i strålen som passerat genom atomerna—består. Experiment i en noggrant avskärmad miljö visar att sensorns enkelsidiga läge redan matchar eller något överträffar en traditionell design. När den körs i differentiellt läge förbättras dess känslighet med cirka 28 %, till 8,6 femtotesla per kvadratrots hertz, allt i en sond med bara fyra kubikcentimeters volym.

Från laboratorieprototyp till framtida bärbara skannrar

Studien slutar i att flytande kristall‑polarisationsgitter erbjuder en praktisk väg till mindre, billigare och mer pålitliga kvantmagnetometrar. Enhetens platta, robusta struktur kan tillverkas med mogen, höggenomströmmande flytande kristall‑produktion, vilket ger en fördel gentemot mer exotisk nanofabricerad optik. Genom att samtidigt förenkla den optiska kedjan och minska laserbrus balanserar den nya arkitekturen effektivitet, stabilitet och kostnad på ett sätt som lämpar sig väl för sensorarrayer placerade runt huvud eller kropp. Med vidare förfiningar, som elektriskt justerbar balansering och strålstyrning, skulle detta tillvägagångssätt kunna utgöra grunden för nästa generations portabla system för hjärt‑ och hjärnavbildning och föra ultrasensitiva magnetiska mätningar närmare vardaglig klinisk användning.

Citering: 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

Nyckelord: optiskt pumpad magnetometer, biomagnetisk avbildning, flytande kristall‑polarisationsgitter, kvantsensor, magnetoencefalografi