物理

超导体听诊的大脑

借助超导电路,我们能够测量微小的磁场,例如大脑活动产生的磁场。

让·米歇尔·科蒂(Jean-Michel Courty)和ÉdouardKierlik 对于科学N°401
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在特定的认知任务中需要调用大脑的哪些区域或出现哪些异常?为了回答这些问题,探索方法已经成倍增加: irm ,脑电图和最近的脑磁图(或 梅格 )……这最后一种技术(参见图1)是一种绕力,因为大脑产生的磁场比地球磁场弱十亿倍!尽管如此,由于我们今年正在庆祝一百周年,因此可以测量这些场。

大脑是理化和电活动的所在地。神经元信号的传播与离子的运动有关,因此与电流有关。这导致产生电场和磁场。容易检测到几十微伏的电位(通过脑电图)。对于10量级的脑磁场,要困难得多。–13 特斯拉-地球磁场约为5×10–5 特斯拉-即比心脏的电活动在头部产生的磁场小100倍。现在,超导性是一种对磁场极为敏感的现象,可以检测到这种弱磁场。

救援超导

由荷兰人Kamerlingh Onnes于1911年发现,超导性突然出现在某些温度非常低的材料中(汞含量为4开尔文,即–269°C!),或者某些化合物的温度稍低。 。它通过两个显着的特性来表现出来,一种是电的,另一种是磁的:一种超导材料在没有任何电阻的情况下传导电流,并从其乳房排出任何磁场(Meissner效应)。

这些特性的起源在于自由电子的集体行为:尽管它们受到静电排斥,但在“库珀对”中被两个两个连接起来之后,它们以相同的量子态聚集在一起,并在整个体积中延伸。材料。它是宏观上量子物理学罕见的直接表现之一。

如何使用超导测量磁场?第一步是在1961年发现了通过超导环的磁场通量,即磁场值乘以交叉面积的乘积,这一发现是可以定量的:等于通量``量子''的整数倍的值,表示为f0。

由于通量值是不连续的,当我们不断改变环上的外部磁场时会发生什么?该操作沿环感应出电流,其强度使得由于外部磁场和由电流产生的磁场而导致的总磁通量得以保持或跳至最接近的允许值。

因此,通过逐渐增加外部磁场,可以观察到环中感应的电流随磁场而周期性变化,该电流仅对于外部磁场的值才被抵消,从而给出f0的多重磁通。现在,磁通量量子(等于普朗克常数与基本电荷的两倍之比)非常小:它对应于2 3 10磁场的磁通量–11 特斯拉在平方厘米上。因此,我们潜在地具有对大脑磁场进行测量具有适当灵敏度的现象。

巧妙的电路: 乌贼

第二步是1964年发明的电路 乌贼 (见图2)。让我们在超导环的任一侧连接一条超导线,电流在其中流动,即“极化电流”。在没有磁场的情况下,该电流在环的两个分支之间平均分配。在磁场作用下,感应电流增加了。在其中一个分支中,电流比极化电流的一半强(而在另一分支中则弱)。最后,在每个分支的中间,让我们在超导线中切一个足够细的切口,以使电子对可以通过隧道效应穿过该导线。

在这个称为约瑟夫森结的位置,只要电流低于临界值(尤其取决于切口的厚度),超导就会持续存在,就好像什么都没发生一样。另一方面,一旦电流超过临界值,电子对就会解离,电子再次变得自由,并与晶格碰撞:出现一个电阻,因此在结的任一侧都有电压d电流超过临界电流越高。

然后,诀窍是通过使电流流通到略小于临界电流两倍的电流来使鱿鱼极化。在没有磁场的情况下,流经每个分支的电流小于临界电流:电路中没有电压。另一方面,由于感应电流的存在,磁场的产生是由于其中一个分支中的电流大于临界值,因此是由于环的端子处的电压。磁场越强,感应电流和与临界电流的偏差越大,电压越高。

因此,通过校准鱿鱼,我们可以从电压值返回到穿过环的磁场值。在这种几何形状下,该装置在原理上类似于干涉仪,其中穿过不同路径的两个量子波会发生干涉。因此,名称为SQIUD,用于 超导量子干涉仪 (超导量子干涉仪)。

但是,直接使用乌贼是很棘手的:它的表面很小(大约十平方微米),并且对所有的电磁干扰都很敏感。为了解决这个问题,我们使用了一个传感器,该传感器由一个超导电路组成,该电路包括两个直径为1厘米,彼此分开并以相反方向缠绕的环,以及一个与鱿鱼相连的小绕组(见图3)。

由于迈斯纳效应,磁力线不能越过超导线进入或退出环:因此总磁通量为零;另一方面,对于附近的源,例如组件对神经元而言,场不是均匀的;在最靠近源的循环中,它的强度更大。因此,通过两个回路的磁通之和不为零:在电路中感应出电流,以使小绕组中的磁通量补偿大回路的磁通并保持总磁通为零。因此,通过SQUID可以更容易地测量绕组产生的与大脑磁场成比例的磁场。

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