Fysiker vid Saarlands universitet har utvecklat magnetfältssensorer som slår känslighetsrekord och öppnar upp en hel rad potentiella nya applikationer, från beröringsfria mätningar av den elektriska aktiviteten i människans hjärta eller hjärna till att upptäcka malmfyndigheter eller arkeologiska lämningar djupt under jorden. Professor Uwe Hartmann och hans forskargrupp har utvecklat ett system som gör att de kan upptäcka svaga magnetiska signaler över stora avstånd i normala miljöer (inget vakuum, inga låga temperaturer, ingen skärmning), trots förekomsten av många störningskällor. Deras system kan upptäcka signalstyrkor långt under en miljarddels tesla – ungefär en miljon gånger mindre än jordens magnetfält – och kan användas för att upptäcka biomagnetiska signaler i människokroppen eller geofysiska fenomen.

Forskargruppen kommer att ställa ut på Hannover Messe från den 1 april (hall 2, Monter B46) och letar efter partners med vilka de kan utveckla sin teknik för praktiska tillämpningar.

Om läkare vill undersöka en patients hjärta för att se om det slår oregelbundet, de måste först fästa elektroder på patientens bröst, handleder och vrister. Detsamma gäller när man försöker mäta hjärnans elektriska aktivitet. Patienten måste först kopplas upp innan den elektriska aktiviteten i deras hjärna kan registreras. Men när saker måste hända snabbt, detta kan innebära att sjukvårdspersonal förlorar värdefull tid. Det skulle vara mycket enklare om en enhet som liknar en metalldetektor fanns tillgänglig som kunde svepas över patientens kropp eller huvud men som ändå skulle ge tillförlitliga resultat. Ända tills nu, beröringsfria medicinska diagnostiska procedurer har misslyckats eftersom de helt enkelt inte är lämpliga för dagligt bruk. Sensorer som är tillräckligt känsliga för att mäta de biomagnetiska fält som produceras av människokroppen måste fungera i mycket noggrant reglerade miljöer. De måste vara väl skyddade från externa störningskällor, måste användas vid opraktiskt låga temperaturer under -200 °C eller kräver vakuum.

Nu, dock, Professor Uwe Hartmann och hans team av experimentella fysiker vid Saarlands universitet har lyckats utveckla magnetfältssensorer som kan fungera under normala omgivningsförhållanden samtidigt som de fortfarande kan detektera mycket låga signaler, såsom de svaga biomagnetiska fält som produceras av många av kroppens funktioner. 'Man kan säga att precisionen i vår teknik är som att kunna lokalisera ett sandkorn i en bergskedja. Vi kan upptäcka magnetfält över relativt stora avstånd som är ungefär en miljon gånger svagare än jordens magnetfält – bara några få pikotesla, det är en miljondels miljondel av en tesla, förklarar Uwe Hartmann. Än så länge, sensorer som arbetar under normala omgivningsförhållanden har kunnat detektera magnetfält som är ungefär tusen gånger mindre än jordens magnetfält.

Den verkliga utmaningen, dock, var inte den knappt detekterbara storleken på själva signalerna. "Huvudproblemet när man mäter dessa små signaler i en normal miljö är att rent kunna separera signalerna från den mängd störningssignaler som oundvikligen finns närvarande, säger Hartmann. Det finns alla möjliga faktorer som genererar brus eller som förfalskar den svaga signalen som fysikerna är intresserade av. Störningskällor är bland annat jordens magnetfält, elektriska enheter, rörlig trafik, signaler från andra organ i kroppen eller till och med från solstormar. Hartmanns forskargrupp har arbetat i åratal med magnetometrar (magnetfältssensorer) och de har framgångsrikt utvecklat dessa enheter för en rad olika tillämpningar. 'Under de senaste åren, vi har lyckats öka känsligheten och selektiviteten hos våra magnetometrar. Den känslighet som våra sensorer nu visar är resultatet inte bara av vårt kontinuerliga sensorutvecklingsarbete, men särskilt förbättringarna i vår databehandlingsprogramvara, ' han förklarar.

Hartmann och hans team har varit involverade i flera projekt där deras fokus låg på att filtrera bort störsignaler från mätdata. Forskarna i Saarbrücken har, till exempel, utvecklat en smart sensorkabel där magnetometrarna kopplas till varandra i ett nätverk. Ett antal av dessa system testas för närvarande som komponenter i flygplatstrafikledningssystem. I en annan applikation, sensorerna används för fjärrövervakning av perimeterstängsel. I detta fall, systemet måste kunna särskilja och identifiera alla olika faktorer som orsakar mätbara förändringar i magnetfältet. Forskargruppen genomförde därför ett stort antal tester där de simulerade förändringar av magnetfältet, som de som uppstår när stängslet vibrerar eller när det träffas, och tilldelade de resulterande signalmönstren till motsvarande källor. Fysikerna har modellerat signalmönstren matematiskt, översatt resultaten till algoritmer och använde dessa för att programmera analysatorn – en process som kontinuerligt förfinas allt eftersom allt mer detaljerad data blir tillgänglig. "Vi använder denna information för att lära ut systemet och för att kontinuerligt utöka dess kapacitet. Den kan känna igen typiska signalmönster och automatiskt tilldela dem till olika störningskällor. Vi är nu i en position där vi kan tilldela mätdata och signalmönster mycket exakt till deras respektive orsaker, förklarar Hartmann.

Även om det arbete som utförs av professor Hartmann och hans team i huvudsak är grundforskning, det finns ett brett utbud av potentiella tillämpningar för dessa mycket känsliga magnetometrar. De kunde, till exempel, användas för diagnostiska ändamål inom kardiologi eller neurologi, där de skulle kunna komplettera befintliga tekniker som EKG (elektrokardiografi) eller EEG (elektroencefalografi). Ett annat potentiellt användningsområde är geofysisk avkänning vid sökning efter råolja, mineralfyndigheter eller arkeologiska lämningar.

Forskargruppen kommer att visa upp sitt arbete på Hannover Messe där de kommer att leta efter kommersiella partners, särskilt företag inom medicintekniksektorn, med vilka de kan utveckla sin teknik för praktiska tillämpningar.

Teamet kommer att demonstrera känsligheten hos sina sensorer i Hall 2 (Ställ B46) genom att upptäcka överraskande exempel på magnetiska föremål i den lokala närheten.