Varje slag i ditt hjärta eller utbrott av hjärnaktivitet är beroende av små elektrofysiologiska strömmar som genererar ringa krusningar i det omgivande magnetfältet. Dessa fältvariationer utgör grunden för en rad forskningsverktyg och diagnostiska tekniker med munfulla namn som magnetoencefalografi (MEG) och magnetokardiografi (MCG). Men att utnyttja biologins svaga magnetfält kräver heroiska och kostsamma åtgärder, inklusive högteknologiska sköldar för att blockera de större, potentiellt förvirrande magnetiska krafter runt omkring oss och boutique magnetfältssensorer som kräver dyr och besvärlig kylning av flytande helium.

DARPA:s nya Atomic Magnetometer for Biological Imaging In Earth's Native Terrain (AMBIIENT)-program handlar om att föra magnetfältsavkänning in i en ny era där MEG, MCG, och ett sortiment av andra magnetfältsavkänningstekniker på önskelistan blir praktiska verkligheter för ett brett spektrum av tillämpningar. Potentiellt vid horisonten, till exempel, är sensorsystem för att detektera ryggradssignaler, diagnostisera hjärnskakning, och hjärn-maskin-gränssnitt (BMI) för sådana användningar som att kontrollera proteser och externa maskiner via de subtila magnetiska signalerna som är associerade med tanke.

Ett fåtal elefanter i rummet har hindrat avkänning av biomagnetiska fält från att sträcka sig utöver dess nuvarande begränsningar. Planet Earth har varit den största buzz killen. Dess genomsnittliga magnetfält är 50 miljondelar av en Tesla, en enhet för magnetfältstyrka uppkallad efter uppfinnaren Nikola Tesla från mitten av 1800- och början av 1900-talet. Detta betyder att jordens magnetfält är en miljon till en miljard gånger starkare än 10 picoTesla (10 ^-11 Tesla) till 10 femtoTesla (10 ^-14 Tesla) magnetiska fält som kommer från människokroppar. Dessutom, även dagens ledande magnetfältssensorer – baserade, till exempel, på Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) – lider av ett begränsat dynamiskt omfång, vilket innebär att de inte kan svara på ett tillförlitligt sätt i närvaro av magnetiska fältstyrkor som spänner över många storleksordningar, som är fallet när biologiska magnetfält överlagrar jordens egen magnetism. Utan intensiv avskärmning, dessa magnetiska viskningar från biologin skulle gå förlorade mitt i det skrällande larmet av jordens magnetism, även med de bästa tillgängliga sensorerna i spel.

"Traditionellt, mätning av små magnetiska signaler i omgivande miljöer har förlitat sig på par av högpresterande sensorer åtskilda av ett baslinjeavstånd och sedan mätning av de små fältstyrkeskillnaderna mellan de två sensorerna, sa Robert Lutwak, AMBIIENTs programledare i DARPAs Microsystems Technology Office. "Denna gradiometriska tekniken har fungerat bra för tillämpningar inom geofysisk mätning och detektering av oexploderad ammunition, " tillade Lutwak, "men på grund av kombinationen av sensorernas begränsade dynamiska omfång och den naturliga rumsliga variationen av bakgrundssignalerna, detta tillvägagångssätt faller flera storleksordningar under för att kunna detektera biologiska magnetiska signaler."

AMBIIENT-programmet utmanar forskarvärlden att ta fram nya typer av magnetiska gradiometrar som kan upptäcka picoTesla- och femtoTesla magnetiska signaturer i det fria, utan skärmning och med vilken omgivande magnetfältsmiljö än kan vara. För att göra det krävs det att forskare, med Lutwaks ord, "utnyttja nya atomfysiska tekniker och arkitekturer för att direkt mäta extremt små gradienter i magnetfält utan att behöva jämföra skillnaden mellan absoluta fältmätningar från två sensorer separerade längs en baslinje." En fysikbaserad metod som AMBIIENT-utövare sannolikt kommer att följa är att övervaka förändringar i polarisationen eller andra mätbara egenskaper hos en liten laserstråle när den passerar genom ångceller som är värd för atomer som svarar på laserstråleförändrande sätt på även femtoTeslas magnetfält. Att övervaka förändringar i laserljusets egenskaper skulle därigenom öppna ett nytt och praktiskt fönster mot magnetfält som tidigare var omätbara under omgivande förhållanden. Detta öppnar upp scenarier där, säga, en läkare på ett slagfält skulle kunna använda en trollstavsliknande sensor för att snabbt undersöka en krigsman för tecken på hjärnskakning eller annat huvudtrauma skrivet i hjärnans subtila magnetfält

"Högkänslig magnetisk avkänning och bildbehandling kommer att erbjuda ett kraftfullt nytt verktyg för medicinsk forskning och klinisk diagnos av neurologisk och hjärtaktivitet, " sa Lutwak. "DARPA:s mål är att sluta med kapaciteten för högkänslig magnetisk avkänning i en billig enhet som kan fungera i vanliga miljöer." Han föreställer sig också några ovanliga förlängningar av magnetfältsavkänning, inklusive magnetisk navigering (MagNav) som backup, alternativ, eller komplement till GPS-baserad navigering. Utrustad med den typ av sensorer som kan komma från AMBIIENT-programmet, till exempel, ett flygplan som rullar på flygplanshöjder kanske kan hålla reda på de naturligt varierande och välkarterade magnetfältsvariationerna på jordens yta för att bestämma dess läge över marken inom cirka 250 meter.