КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-32-00010

НазваниеСверхчувствительные сенсоры магнитного поля для магнитокардиографии

РуководительБелотелов Владимир Игоревич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионОбщество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий", Московская обл

Годы выполнения при поддержке РНФ 2014 - 2016 

КонкурсКонкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований вновь создаваемыми научной организацией и вузом совместными научными лабораториями»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления

Ключевые словамагнитооптика, плазмоника, магнитокардиография, пленки ферритов-гранатов, сенсор магнитного поля

Код ГРНТИ29.19.39


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Данный проект посвящен разработке нового типа сенсоров магнитного поля на основе монокристаллических пленок ферритов-гранатов. Отличительной особенностью разрабатываемых магнитомодуляционных сенсоров является их высокая чувствительность (~ 10 фТл/Гц^(1/2)) для измерения статических и переменных магнитных полей на частотах до 1 МГц при комнатной температуре. Это обстоятельство делает их очень перспективными для применения в магнитокардиографии, поскольку в настоящее время магнитокардиографы используют СКВИД-магнитометры, требующие охлаждение до температуры жидкого гелия. Высокая чувствительность магнитного сенсора позволит решить задачу измерения и визуализации сверхслабых магнитных полей (до 1 фТл) при комнатной температуре. Данное направление исследований крайне актуально для развития новых высокочувствительных методов диагностики различных социально значимых заболеваний человека, таких как ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, гипертрофия миокарда. Общий принцип работы магнитомодуляционного сенсора заключается в перемагничивании магнетика путем когерентного вращения вектора намагниченности в плоскости пленки и фиксации нарушения симметрии кривой перемагничивания в присутствии измеряемого магнитного поля. Нарушение симметрии происходит вследствие нелинейности процесса перемагничивания и выражается в появлении второй гармоники от частоты приложенного перемагничивающего поля. В проекте будут рассмотрены магнитомодуляционные сенсоры с двумя типами считывания: индукционным и магнитоплазмонным. В первом случае, регистрируется возникшая за счет явления электромагнитной индукции разность потенциалов в считывающей катушке, а во втором случае - регистрируются изменения поляризации или интенсивности отраженного или прошедшего света. В результате выполнения проекта будут получены новые магниточувствительные элементы с однородным вращением намагниченности, высокой магнитной восприимчивостью и малым затуханием, что является актуальной задачей не только для магнитосенсорики, но и для микромагнетизма в целом. Для достижения высокой чувствительности магнитомодуляционного сенсора будет применен ряд новых технологических подходов, позволяющих регулировать величину одноосной и кубической анизотропии и уменьшать ширину линии ферромагнитного резонанса. Впервые для измерения кривой перемагничивания будет использовано магнитооптическое считывание, усиленное с помощью магнитоплазмонных эффектов. Магнитоплазмонные кристаллы будут реализованы на основе гибридных структур: тонкая пленка феррита граната с заданным типом магнитной анизотропии и одномерные или двумерные решетки щелей или отверстий в тонких пленках золота. Важно отметить, что плазмонное покрытие даст возможность измерять кривую перемагничивания не только за счет эффекта Фарадея, но и за счет интенсивностных магнитооптических эффектов (экваториального эффекта Керра, меридионального интенсивностного эффекта), что позволит на порядок увеличить чувствительность магнитомодуляционного сенсора и существенно улучшить его пространственное разрешение. Для решения поставленной задачи Московский центр квантовой оптики и квантовых технологий (МЦКТ) (базовая научная организация), ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» Минздрава России (ФГБУ «РКНПК») (научная организация) и Таврический национальный университет имени В. И. Вернадского (находится в стадии реорганизации в Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского) (ТНУ) (образовательная организация) заключили договор о создании совместной научной лаборатории “Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для медико-биологических применений“. Наличие в составе такой междисциплинарной лаборатории квалифицированных специалистов в области микромагнетизма и плазмоники, медицинской диагностики и технологии синтеза тонких монокристаллических магнитных пленок дает все основания ожидать решения всех поставленных в проекте задач и получения результатов мирового уровня.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения данного проекта будут созданы сверхчувствительные сенсоры магнитного поля с индукционным и магнитоплазмонным считыванием, позволяющие измерять статические и переменные магнитные поля в диапазоне частот от 0 до 1 МГц с чувствительностью 10 фТл/Гц^(1/2) при комнатной температуре. Будут разработаны и созданы магнитоплазмонные кристаллы, позволяющие увеличить чувствительность сенсора в 10 и более раз. Будут эпитаксиально выращены пленки Bi-содержащих феррит-гранатов с величиной приведенной анизотропии в плоскости пленки менее 1 Э, что также увеличит чувствительность сенсоров на порядок величины. Магнитооптические сенсоры будут обладать уникальными параметрами произведения чувствительности на объем регистрации. Вышеперечисленные результаты не имеют аналогов в мире. Разработанные высокочувствительные сенсоры магнитного поля крайне важны для диагностики социально значимых болезней сердечно-сосудистой системы. В частности, они позволят оценить электрическую гомогенность миокарда и разделить патологические зоны миокарда с быстрой и медленной проводимостью. Это даст возможность выявлять признаки ишемической болезни сердца еще на ранних стадиях развития заболевания, а также проводить анализ постинфарктных изменений миокарда, что позволит корректировать лечение больного. Учитывая высокую информативность метода кардиографии, данные сенсоры необходимы для создания современной технологической базы персонализированной медицины, целями которой являются индивидуальный подход к лечению больного и повседневная доступность методов мониторинга здоровья человека.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Создана совместная научная лаборатория “Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для медико-биологических применений“. Она объединила научных сотрудников Международного центра квантовой оптики и квантовых технологий (МЦКТ) (базовая научная организация), ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» Минздрава России (ФГБУ «РКНПК») и Таврического национального университета имени В. И. Вернадского (с 01.01.15 будет реорганизован в Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского). В рамках совместной лаборатории начата научно-исследовательская работа по тематике данного проекта. При этом на базе ТНУ проведена первая часть технологической работы по созданию уникальных образцов эпитаксиальных пленок феррита-граната. В ФГБУ «РКНПК» проведены подготовительные работы для биомагнитных измерений на животных моделях. В МЦКТ решены теоретические задачи первой части проекта, получен экспериментальный образец магнитомодуляционного сенсора магнитного поля с индукционным считыванием, создана экспериментальная установка для оптической и магнитооптической спектроскопии образцов, а также подготовлено помещение для магнитно-экранированной комнаты, в которой на втором этапе проекта будут проводится работы по созданию, настройке и тестированию сенсоров магнитного поля с магнитооптическим и индукционным считыванием. За счет средств проекта приобретены следующие основные единицы оборудования, материалов и комплектующих: Магнито-экранированная комната (Vacuumschmelze GmbH & Co.KG, Германия) (описание см. п.7), Магнитные экраны ZG-206 и ZG-209 (Magnetic Shield Corporation, США), Оптические компоненты (Элан-Оптикс, Россия), подложки гадолиний-галлиевого граната с разбавлением скандием (Sc-GGG, Saint- Gobain Cristaux & Detecteurs, Франция), оксид свинца (ООО “Невский химик”, Россия), препараты для проведения биомагнитных измерений (“Химмед”, Россия), Трехкоординатные катушки Гельмгольца (Micro Magnetics, Inc., США), микросхемы (Элтех, Россия), лабораторные столы и др. На первом этапе проекта проведено теоретическое и экспериментальное исследование магнитных и магнитооптических свойств пленок редкоземельных ферритов-гранатов, состав которых подобран таким образом, что константа одноосной анизотропии близка к нулю и константы кубической анизотропии достаточно малы. Такие пленки являются основой для разрабатываемых сверхчувствительных сенсоров магнитного поля. Теоретически исследованы особенности перемагничивания тонкопленочного магнитного элемента путем вращения намагниченности в плоскости пленки. Показано, что для минимального влияния кристаллической анизотропии на динамику намагниченности при вращении вектора намагниченности в плоскости пленки оптимальной кристаллографической ориентацией является [111]. Продемонстрирован векторный отклик эпитаксиальной пленки на внешнее магнитное поле в приближении квазистационарного магнитного поля. Получено аналитическое выражение, описывающее величину и ориентацию магнитного момента диска в зависимости от величины и ориентации внешнего магнитного поля. Исследованы магнитооптические эффекты, пригодные для наблюдения за состоянием намагниченности в разрабатываемых сенсорах магнитного поля. Выполнен поиск методов увеличения магнитооптического отклика от феррит-гранатового слоя за счет использования магнитоплазмонных кристаллов, компьютерное моделирование и дизайн плазмонных покрытий. Предлагаемая структура магнитоплазмонного кристалла образована однородной пленкой Bi-замещенного феррита-граната и нанесенной на нее одномерно-периодической решеткой из золота. Найденные оптимальные параметры магнитоплазмонной структуры. В частности, найдена структура, в которой наблюдается меридиональный интенсивностный магнитооптический эффект, достигающий 27% на длине волны 845 нм. В результате оптимизации геометрических параметров с целью достижения наибольшей величины интенсивностного эффекта при высоком пропускании найдены значения периода решетки, ее высота, ширина щелей и толщина магнитной пленки. Установлена оптимальная концентрация висмута в Bi-замещенных пленок феррита-граната для магнитооптических сенсоров, которая составляет от 1.5 до 2.5. Модернизированы экспериментальные установки для проведения оперативного контроля магнитных и магнитооптических характеристик синтезированных эпитаксиальных пленок феррита-граната при отработке технологии их получения: магнитополяриметр МПМФ-2, магнитооптическая установка «Вектор», спектрометр ферромагнитного резонанса ЭПР-1306. Отработаны технологические режимы роста магнитооптических эпитаксиальных пленок феррита-граната с плоскостной анизотропией методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на подложках GGG и на подложках с увеличенным параметром решетки (Ca-Mg-Zr-GGG). Исследованы магнитные и магнитооптические характеристики синтезированных эпитаксиальных пленок феррита-граната. Пленки обладают плоскостной анизотропией и их характеристики соответствуют требованиям задач проекта. Приобретена магнитно-экранированная комната и подготовлено помещение для ее монтажа. Монтаж комнаты будет осуществлен на цокольном этаже, что позволит снизить внешний уровень электромагнитных и акустических помех (вибраций). Большие размеры комнаты позволят разместить крупногабаритное оборудование, при этом высокий коэффициент ослабления внешнего магнитного поля комнатой позволит проводить высокоточные измерения магнитных, оптических и магнитооптических характеристик образцов. Разработан и создан источник магнитного поля, который аналогичен по пространственным и временным параметрам магнитным полям, генерируемым сердцем человека. Макет сердца человека представляет собой компактный прибор, позволяющий в приближении магнитного диполя моделировать работу сердца человека. Данный источник позволит производить калибровку создаваемых датчиков магнитного поля, а также оценивать их характеристики, такие как чувствительность и динамический диапазон. Построены источники возбуждения тонкопленочного магнитного элемента с избыточными шумами, не превышающими уровень теплового шума в возбуждающих катушках. Изготовлены фильтры и входные усилители, согласованные с приемными катушками, позволяющие регистрировать сигнал отклика чувствительного элемента на феррит-гранатовой структуре по второй гармонике возбуждения с уровнем избыточного шума на уровне тепловых шумов приемной катушки. Разработана цифровая цепь обратной связи для реализации измерения магнитного поля ноль-методом с динамическим диапазоном 140 дб. Изготовлен макет магнитомодуляционного магнитометра с индукционным считыванием на легкоплоскостных пленках феррита-граната для биомагнитных измерений. Спектральные характеристики собственных шумов магнитометра оптимизированы для измерения магнитокардиограмм в диапазоне частот 1 – 100 Гц. Разработаны методики автобалансировки градиометров магнитного поля на основе априорных знаний о внешних помехах. Проведены тестовые измерения характеристик источника магнитного поля с использованием градиометров в условиях магнитного экранирования и проведено сравнение с параметрами магнитного поля сердца человека. Проведенные тесты показывают применимость магнитомодуляционных сенсоров для кардиомагнитных измерений. Подготовлено помещение для проведения исследований на лабораторных животных. Помещение специально оборудовано под эксперимент в соответствии с ГОСТом Р 53434-2009. Исследования проводятся на крысах-самцах линии Wistar с массой тела 200-250 г., полученных из питомника лабораторных животных филиала "Столбовая" Федерального государственного бюджетного учреждения науки "Научного центра биомедицинских технологий" Федерального медико-биологического агентства. Экспериментальная работа, направленная на разработку метода измерения магнитокардиограмм на животных моделях, организована согласно этическим нормам и рекомендациям по работе с лабораторными животными. Разработана оригинальная методика измерения магнитокардиограмм животных. Отработан метод обездвиживания крыс атравматичной фиксацией в положении на спине за конечности мягкими марлевыми вязками. При этом магнетометр жестко прикреплён с обратной стороны подложки, так чтобы расстояние от сенсора до сердца животного не превышало 1 см. Животное на подложке вместе с сенсором помещается в трёхслойный пермаллоевый цилиндрический экран. Отработана модель создания однократного острого иммобилизационного стресса у крыс. Опробован метод обезболивания крыс путем введения препарата для общей анестезии животных золетила. Подобраны концентрации препарата, не наносящие существенного вреда организму крысы и время действия которых достаточно для проведения эксперимента. Отработан метод регистрации ЭКГ и артериального давления у крыс.

 

Публикации

1. Ветошко П.М., Звездин А.К., Скиданов В.А., Сыворотка И.И., Сыворотка И.М., Белотелов В.И. Влияние профиля дискового магнитного элемента на поле насыщения и шум магнитомодуляционного сенсора магнитного поля Письма в Журнал технической физики, - (год публикации - 2015).


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
На втором этапе проекта была проведена научно-исследовательская работа по следующим направлениям проекта: 1). Получение методом жидкофазной эпитаксии висмут-замещенных редкоземельных пленок феррита-граната с плоскостной анизотропией, минимизированной кубической анизотропией и уменьшенной намагниченностью; 2). Компьютерное моделирование и создание плазмонных покрытий для усиления магнитооптических эффектов в эпитаксиальных пленках феррита-граната (ЭПФГ); 3). Изучение оптических и магнитооптических свойств полученных образцов; 4). Отработка методики измерения малых магнитных полей с помощью сенсоров магнитного поля с индукционным и магнитооптическим считыванием; 5). Разработка и анализ применения различных плазмонно-фотонных структур в качестве высокочувствительных сенсоров магнитного поля. 6). Проведение тестовых измерений магнитокардиограмм животных. Проведена работа по синтезу Bi-замещенных магнитооптических пленок феррита-граната, обладающих высокой магнитной восприимчивостью к плоскостной и нормальной компонентам внешнего магнитного поля. Для достижения высокой чувствительности к плоскостному магнитному полю разработаны составы пленок с анизотропией типа легкая плоскость с увеличенным содержанием Bi и уменьшенной кубической анизотропией на подложках скандий-галлий-гадолиниевого граната (Sc-GGG). Состав пленок: (BiGd)3(FeSc)5O12. Для достижения высокой чувствительности к нормальной компоненте магнитного поля разработан состав и проведен синтез Bi-замещенных эпитаксиальных пленок феррита-граната на подложках гадолиний-галлиевого граната (GGG) со смешанной кубической и одноосной анизотропией (состав пленок: (BiLuTmGdPr)3(FeAlGa)5O12). В образцах со смешанной анизотропией экспериментально наблюдаемая чувствительность к нормальной компоненте магнитного поля на два порядка выше, чем у образцов с плоскостной анизотропией. Синтезированы пленки Bi:YIG методом реактивного ионно-лучевого распыления для структур одномерных магнитофотонных кристаллов и исследованы их свойства. Анализ возможности использования в качестве датчиков магнитного поля одномерных магнитофотонных кристаллов показал, что эти структуры могут дать высокую величину чувствительности, превосходящую чувствительность однородных пленок, при условии, что магнитные пленки в фотонном кристалле синтезированы методом жидкофазной эпитаксии. Продемонстрирован метод локальной характеризации магнитных свойств (констант кубической и одноосной анизотропии) магнитных пленок, основанный на оптическом возбуждении магнитостатических волн с помощью циркулярно поляризованных лазерных импульсов и анализе зависимости спектра магнитостатических волн от азимутального угла внешнего магнитного поля. Предложен векторный магнитооптический магнитометр, основанный на регистрации эффекта Фарадея при вращении намагниченности кубического магнетика с ориентацией (111) в управляющем плоскостном магнитном поле и экспериментально продемонстрирован принцип действия такого магнитометра. Проведен сравнительный анализ пяти магнитооптических эффектов в магнитоплазмонных кристаллах, обусловленных плоскостной намагниченностью магнитного слоя, с целью развития методов магнитооптического детектирования плоскостной намагниченности в магнитной пленке за счет нанесения на нее одномерной металлической дифракционной решетки. Установлено, что наиболее оптимальными эффектами для детектирования плоскостной намагниченности являются меридиональный интенсивностные эффект и экваториальный эффект Керра. Определено влияние параметров металлической решетки и состава магнитного диэлектрика на величину резонансных магнитооптических эффектов и условия их возникновения. Проведена численная оптимизация геометрических параметров (период решетки, ширина воздушных щелей, толщина золота) плазмонных решеток для наблюдения максимальной амплитуды магнитооптических эффектов при возбуждении гибридных плазмонно-волноводных мод в структурах типа [плазмонная решетка]/[пленка из магнитного диэлектрика]/[немагнитная подложка]. С учетом найденных численно оптимизированных геометрических параметров созданы образцы плазмонных кристаллов. Изготовленные образцы имеют ярко выраженные резонансы коэффициента пропускания, связанных с возбуждением гибридных плазмонно-волноводных мод внутри магнитной пленки. Также в спектральной области оптических резонансов наблюдается резонансное усиление магнитооптических эффектов – эффекта Фарадея и экваториального эффекта Керра – до нескольких раз по величине по сравнению со случаем гладкой магнитной пленки без плазмонного покрытия. При экспериментальном исследовании спектра пропускания магнитоплазмонных структур во вращающемся плоскостном управляющем магнитном поле продемонстрирован меридиональный интенсивностный магнитооптический эффект, достигающий по величине 5%. Проведено исследование уникальных магнитных плазмонных сенсоров со сверхвысокой добротностью резонансов. Разработана конфигурация магнитоплазмонной структуры, содержащей фотонно-кристаллические, плазмонные и магнитные слои, позволяющая сузить угловую ширину магнитоплазмонных резонансов до 0.002 градуса и, таким образом, повысить его добротность до 21000. Изготовлены магнитоплазмонные структуры и экспериментально продемонстрированы сверхдобротные резонансы в спектрах отражения и экваториального эффекта Керра. Предложена схема применения данных структур в сенсорах магнитного поля. Путем микромагнитного моделирования получена зависимость поперечной восприимчивости пленки феррита-граната от отношения размера неоднородности магнитного поля к толщине пленки. Установлено, что для достижения пространственного разрешения ~ 1 мкм необходимо, чтобы толщина магнитной пленки не превышала 200 нм. Создан градиометр первого порядка на базе сенсоров с индукционным считыванием. Отработаны алгоритмы автоматической балансировки градиометров первого порядка. Анализ использования градиометров первого и второго порядка для магнитокардиографических исследований показал, что наиболее оптимальным является использование градиометра первого порядка внутри однослойного цилиндрического магнитного экрана. В такой конфигурации, полученный сенсор с индукционным считывание практически не требует доработки. Разработан компактный магнитный экран с фактором подавления магнитного поля до 10^6 для проведения биомагнитных измерений. Создан сенсор магнитного поля с индукционным считыванием, позволяющий при комнатной температуре измерять магнитокардиографические (МКГ) сигналы на расстоянии около 1 мм от грудной клетки. Показана высокая чувствительность сенсора, превышающая 100 фТл/Гц(1/2), на примере измерения МКГ крысы. Основные детали МКГ крысы, R-пик величиной порядка 10 пT, регистрируются без использования усреднения по времени, что дает возможность исследовать аномалии сердечного ритма. Проведено сравнение данных о функциональном состоянии миокарда экспериментальных крыс, полученных методом МКГ с помощью магнитного сенсора с индукционным считыванием, с данными, полученными при снятии ЭКГ. С этой целью на полученных МКГ исследовались основные компоненты ЭКГ, которыми являются зубцы Р, Q, R, S и Т и интервалы между соответствующими зубцами. Сравнительный анализ показал, что возникновение зубцов на МКГ и ЭКГ происходит синхронно. Таким образом, разработанный магнитный сенсор с индукционным считыванием позволяет измерять МКГ и оценки функционального состояния миокарда. Проведена оценка возможного развития воспалительных и патологических процессов после измерения МКГ животных сенсором с индукционным считыванием. Исследовались биохимические показатели крови и клеточный состав крови экспериментальных крыс. Полученные данные не выявили изменений исследуемых параметров крови животных до и после проведения МКГ. Увеличения уровня показателей, свидетельствующих о воспалительных процессах, не обнаружено.

 

Публикации

1. Бержанский В.Н., Михайлова Т.В., Каравайников А.В., Проковов А.Р., Шапошников А.Н., Харченко Ю.М., Лукиенко И.М., Милославская О.В., Харченко М.Ф., Белотелов В.И., Голуб В.О. Microcavity One-Dimensional Magnetophotonic Crystals with Double Layer Bi-Substituted Iron Garnet Films: Optical and Magneto-Optical Responses in Transmission and Reflection Solid State Phenomena, Vol. 230, pp. 241-246 (год публикации - 2015).

2. Ветошко П.М., Звездин А.К., Скиданов В.А., Сыворотка И.И., Сыворотка И.М., Белотелов В.И. Влияние профиля дискового магнитного элемента на поле насыщения и шум магнитомодуляционного сенсора магнитного поля Письма в Журнал технической физики (Technical Physics Letters), том 41, вып. 9, стр. 103-110 (Vol. 41, Is. 5, pp 458–461) (год публикации - 2015).

3. Вишневский В.Г, Бержанский В.Н., Луговской Н.Л., Прокопов А.Р., Панков Ф.Н. Features of Linear Defects Eddy Current Images Obtained with Use of Ferrite Garnet Films Solid State Phenomena, Vol. 230, pp. 273-278 (год публикации - 2015).

4. Игнатьева Д.О., Капралов П.О., Князев Г.А., Калиш А.Н., Фраерман А.А., Секатский С.К., Белотелов В.И. Magnetooptical Surface Plasmon Resonance Sensor based on Dielectric Bragg Mirror With Metal Cover 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS), pp. 127-129 (год публикации - 2015).

5. Игнатьева Д.О., Секатский С.К., Калиш А.Н., Белотелов В.И. Enhancement of SPR-sensor Sensitivity in Magnetophotonic Plasmonic Heterostructures PIERS 2015 Prague Proceedings, pp. 2296-2300 (год публикации - 2015).

6. Калиш А.Н., Белотелов В.И. Магнитооптические эффекты для детектирования плоскостной намагниченности в плазмонных кристаллах Физика твердого тела (Physisc of Solid State), Т. 58, вып. 8, c. 1513-1521, (Vol.58, pp. 1563-1572) (год публикации - 2016).

7. Калиш А.Н., Белотелов В.И., Звездин А.К. Influence of Absorption on the Longitudinal Magnetophotonic Intensity Effect in Plasmonic Crystals 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS), pp. 124-126 (год публикации - 2015).

8. П.М. Ветошко, Н.А. Гусев, Д.А. Чепурнова, Е.В. Самойлова, И.И. Сыворотка, И.М. Сыворотка, А.К. Звездин, А.А. Коротаева, В.И. Белотелов Измерения магнитокардиограмм крыс с помощью магнитомодуляционного сенсора магнитного поля на базе пленок феррита-граната Письма в Журнал технической физики, - (год публикации - 2016).

9. Прокопов А.Р., Ветошко П.М., Шумилов А.Г., Шапошников А.Н., Кузьмичев А.Н., Кошлякова Н.Н., Бержанский В.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Epitaxial Bi-Gd-Sc iron-garnet films for magnetophotonic applications Journal of Alloys and Compounds, Vol. 671, pp. 403-407 (год публикации - 2016).

10. Чернов А.И., Кожаев М.А., Ветошко П.М., Додонов Д.В., Прокопов А.Р., Шумилов А.Г., Шапошников А.Н., Бержанский В.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Локальное зондирование магнитных пленок с помощью оптического возбуждения магнитостатических волн Физика твердого тела ( Phys. Solid State), Т. 58, вып. 6, с. 1093-1098, (Vol. 58, Is. 6, pp. 1128–1134) (год публикации - 2016).

11. Шапошников А.Н., Прокопов А.Р., Бержанский В.Н., Михайлова Т.В., Каравайников А.В., Харченко М.Ф., Белотетов В.И., Луиенко И.М., Милославская О.В., Харченко Ю.М. Magnetooptics of single and microresonator iron-garnet films at low temperatures Optical Materials, Vol. 52, pp. 21–25 (год публикации - 2016).


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
На третьем этапе проекта были продолжены работы над составом магнитооптических пленок. При этом основное внимание было сфокусировано на синтезе высококачественных эпитаксиальных пленках феррита-граната (ЭПФГ) с плоскостной анизотропией, увеличенным содержанием висмута и уменьшенной кубической анизотропией. Данные пленки необходимы для магнитоплазмонного сенсора магнитного поля, а также для магнитного сенсора с индукционным считыванием. Эти работы проведены по следующим направлениям: магнитооптические ЭПФГ состава (YBiLu)3(FeSc)5O12 на подложках Ca-Mg-Zr-Gd-Ga граната, состава (BiLu)3(FeGa)5O12 на подложках гадолиний-галлиевого граната и ЭПФГ состава (BiLuPrTmGd)3(FeAlGa)5O1, с малым полем насыщения по нормали к плоскости и уменьшенной кубической анизотропией, а также безвисмутовые ЭПФГ составов (GdLu)3(FeSc)5O12 и (GdY)3(FeSc)5O12. Характеристики синтезированных ЭПФГ удовлетворяют задачам проекта и применимы для сверхчувствительных сенсоров магнитного поля. Методами вакуумных технологий (реактивное ионно-лучевого распыление и ионно-лучевое испарение) синтезированы и исследованы одно- и двухслойные висмут-содержащие (Bi:YIG) пленки ферритов-гранатов и одномерные магнитофотонные кристаллы (МФК) на их основе с целью оценки возможности их использования в качестве датчиков магнитного поля и невзаимных элементов в МО устройствах. Подобные структуры наряду с полностью гранатовыми и мультидефектными МФК обладают высокими магнитооптическими характеристиками, но гораздо проще их в изготовлении. Установлено, что указанные материалы и структуры в качестве сенсоров сверхмалых магнитных полей уступают устройствам на основе ЭПФГ, однако могут найти достойное применение в качестве невзаимных магнитооптических элементов и структурах магнитоплазмонных кристаллов. Экспериментально исследовано возбуждение объемных и поверхностных магнитостатических спиновых волн с помощью циркулярно поляризованных импульсов лазерного излучения в полученных эпитаксиальных пленках феррита-граната за счет обратного магнитооптического эффекта Фарадея. Продемонстрировано, что, наряду с обратными объемными магнитостатическими спиновыми волнами, возможно оптическое возбуждение и других типов спиновых волн, в частности, поверхностных. Изучена возможность измерения локальных магнитных полей при помощи возбуждения спиновой динамики в образце. Методика связана с зависимостью частот прецессии намагниченности и магнитостатических спиновых волн от величины и направления внешнего магнитного поля. Размер области, в которой происходит определение величины локального поля определяется размером фокусировки лазерного пучка и для накачки в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах может составлять около 1 мкм. Исследованы определенные магнитные свойства тонких ферромагнитных пленок феррит-граната в случае наличия вращающегося в их плоскости магнитного поля H. Изучалось однородное движение намагниченности в случае насыщенного образца. Исследовано влияние магнитной кубической анизотропии на динамику движения намагниченности. Кроме того, обнаружено, что при вращении магнитного поля на частотах порядка сотен килогерц проявляется эффект запаздывания вектора намагниченности от поля на некоторый угол. Создана теоретическая модель и проведены подтверждающие эксперименты. Наблюдалось совпадение теоретических и экспериментальных зависимостей. Показано, что с помощью измерения угла запаздывания намагниченности возможно определение постоянной диссипации. Методом микроструктурного химического травления пленок феррита-граната, разработанным на предыдущем этапе проекта, получены образцы пленок феррита-граната с пятиступенчатым профилем толщины для сенсора с индукционным считыванием. Изготовление данных образцов позволило увеличить чувствительность сенсора до рекордной величины 50 фТл/Гц^1/2. Дальнейшее усовершенствование метода микроструктурного травления в отношение сокращения дефектности масок фоторезистов позволит получить еще большую чувствительность сенсора. Проведена численная оптимизация плазмонных покрытий в виде золотых решеток для последующего нанесения на пленку феррита граната с целью наблюдения меридионального интенсивностного эффекта и усиления магнитооптических эффектов Фарадея и Керра. В результате моделирования выбраны периоды золотой решетки в диапазоне от 290 до 650 нм и шириной воздушных щелей от 60 до 150 нм, что соответствует возбуждению поверхностных плазмон-поляритонов, а также волноводных мод в пленке, первым и вторым порядками дифракции. Золотые плазмонные структуры с оптимизированными геометрическими параметрами нанесены на отобранные образцы с магнитными пленками. Разработана концепция магнитооптической модуляции светового излучения за счет меридионального магнитофотонного интенсивностного эффекта (ММФИЭ), обнаруженного ранее нашей группой и заключающегося в модуляции интенсивности света, проходящего через меридионально намагниченный магнитоплазмонный кристалл. Модуляция происходит посредством вращающегося насыщающего магнитного поля в плоскости магнитоплазмонного кристалла. Для доказательства концепции была собрана экспериментальная установка, позволяющая измерять модуляцию интенсивности излучения прошедшего через образец, помещённый во вращающееся магнитное поле. Для наиболее эффективной модуляции были спроектированы и созданы специальные магнитоплазмонные кристаллы с анизотропией типа «легкая плоскость» и малой намагниченностью насыщения. В итоге удалось получить модуляцию интенсивности света 10 %, что является значимой величиной для возможных применений. При этом данная величина может быть увеличена путем еще более тщательного подбора образца. Немаловажным свойством является малая энергетическая затрата для осуществления эффективной модуляции (поле насыщения образца в плоскости менее 10 Э). Разработана новая концепция сверхчувствительного магнитооптического сенсора магнитного поля. Принцип действия основан на использовании ММФИЭ. В плоскости образца создается вращающееся магнитное поле H, приводящие к модуляции света. Неизвестные компоненты дополнительного постоянного малого поля h, находящегося в плоскости образца, могут быть определены из спектрального состава сигнала зависимости коэффициента пропускания образца от времени. Была получена соответствующая аналитическая формула. Показано, что только компоненты 3-й гармоники откликаются на приложенное поле. Проведен эксперимент, доказывающий предложенную концепцию. Получена модуляция света 10 %, достигнутая при вращающемся поле H = 10 Э. При этом была продемонстрирована концепция для измеряемых полей порядка 1 Э. Показано, что в перспективе предлагаемый сенсор способен определять поля порядка десятков пТл. Разработан и создан сенсор магнитного поля с оптическим считыванием на основе эффекта ММФИЭ. Для повышения чувствительности и быстродействия сенсора частота вращения модулирующего поля H достигала величины 126 кГц. Регистрация дополнительного малого поля h достигается путем измерения спектра сигнала фотоприемника вблизи утроенной частоты модулирующего сигнала. Экспериментально продемонстрирована чувствительность 20 нТл/Гц^1/2. Проведен анализ возможности повышения чувствительности данной схемы измерения. Разработана принципиально новая схема сенсора магнитного поля с оптическим считыванием. Схема основана на эффекте рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на магнонах. В качестве магниточувствительного элемента в сенсоре используется пленка железо-иттриевого граната, помещенного в быстро вращающееся (с частотами около 10^8 Гц) в плоскости пленки магнитное поле. Наличие измеряемого магнитного поля приводит к нарушению симметрии вращения намагниченности пленки и возникновению гармоник, кратных частоте возбуждающего поля. Установлено, что применение избирательной спектральной фильтрации гармоник оптического излучения, возникших при магнитооптическом взаимодействии, при помощи интерферометров Фабри-Перо, обеспечивает существенное увеличение чувствительности сенсора за счет подавления шума в полосе частот измеряемого магнитного поля. Анализ показывает, что увеличение отношения сигнал/шум оказывается пропорционально добротности резонатора Фабри-Перо, и чувствительность может достигать величин около 100 фТ/Гц^1/2. Проведено исследование магнитных плазмонных био- и хемосенсоров со сверхвысокой добротностью резонансов и чувствительностью к изменениям показателя преломления окружающей среды. Разработана новая конфигурация сенсорной структуры, содержащей фотонно-кристаллические и диэлектрические магнитные слои из висмут-замещенного иттриевого феррит-граната, позволяющая сузить угловую ширину магнитоплазмонных резонансов до 0.001 градуса и, таким образом, повысить его добротность до 43000. Изготовлены магнитоплазмонные структуры и экспериментально продемонстрированы сверхдобротные резонансы в спектрах отражения и экваториального эффекта Керра. Продемонстрирована работа магнитоплазмонного сенсора для измерения показателя преломления газа. Проведено магнитокардиографическое исследование сердца здорового человека с помощью разработанного высокочувствительного векторного магнитомодуляционного сенсора на базе эпитаксиальных пленок феррита-граната со ступенчатым профилем толщины. Все измерения МКГ проведены при комнатной температуре без охлаждения сенсора. Проведено картографирование МКГ в результате прямых измерений и без дополнительных расчетов. Полученные в настоящей работе колебания интенсивностей магнитных полей сердца соответствуют морфологическим особенностям МКГ-кривой и её составных элементов, регистрируемых у здорового человека. Предложен принципиально новый метод измерения релаксации магнитных наночастиц, позволяющий определять не только концентрацию, но и скорость наночастиц. Разработана и изготовлена система для применения данного метода для изучения динамики кровотока животного. Разработана необходимая теория, описывающая связь скорости наночастицы, релаксационной постоянной и величины магнитного сигнала. По результатам работы планируется публикация статьи в научном журнале. В процессе сравнения результатов, полученных предложенным нами методом релаксометрии, с данными, полученными ранее методом комбинационных частот, выявлено, что предлагаемый метод имеет целый ряд преимуществ перед традиционными методами магниторелаксометрии: позволяет определять скорость наночастиц при известном времени релаксации, разрешает сигналы длительностью менее 1 секунды, не ограничен пороговыми значениями по магнитному полю, позволяет регистрировать малые концентрации, позволяет определить постоянную релаксации и гидродинамический радиус при заданной скорости сканирования и при этом позволяет избежать сильного нагрева. С помощью данного метода возможно создание принципиально нового MPI-томографа. Проведено две серии экспериментов по измерению релаксации магнитных наночастиц в кровотоке экспериментального животного. В первой серии измерялись сигналы от размагничивающихся частиц, вторая серия экспериментов выполнена с использованием предлагаемого метода. Выявлено принципиальное отличие предлагаемого метода от традиционной релаксометрии и перспективность нового метода для анализа кровотока в аорте экспериментального животного.

 

Публикации

1. - Физики МГУ описали, как свет и спин взаимодействуют на наномасштабах Интернет-издание "Индикатор", 14.12.2016 (год публикации - ).

2. - РКЦ: сенсоры магнитного поля помогут вести раннюю диагностику инфаркта «РИА Новости», 25.06.2015 (год публикации - ).

3. - Российский квантовый центр получил комнату «магнитного вакуума» для проекта борьбы с инфарктами «CNews», 25.06.2015 (год публикации - ).

4. - В Российском квантовом центре построена комната, изолирующая от магнитного поля Земли «Редкие земли», 26.06.2015 (год публикации - ).

5. - Физики разработали модель устройства для измерения магнитных полей Новости науки МГУ, 03.12.2016 (год публикации - ).

6. - Притяжение магнита «Коммерсантъ», 17.06.2015 (год публикации - ).

7. - На смену ЭКГ «Лента.ру», 04.12.2015 (год публикации - ).

8. - Российские ученые получили оборудование для испытания сенсоров сердечного магнитного поля «Информационное телеграфное агентство России (ИТАР-ТАСС)», 25.06.2015 (год публикации - ).

9. - Российские физики измерили магнитное поле, вырабатываемое сердцем «РИА Новости», 13.07.2015 (год публикации - ).

10. - Владимир Белотелов: Мы пытаемся делать то, что действительно нужно «Сноб Медиа», № 05 (82) сентябрь 2015 (год публикации - ).

11. - На пути к миелофону «Популярная механика», №154, август 2015 (год публикации - ).

12. - Физики реализовали структуру плазмонных биосенсоров нового типа Новости науки МГУ, 25.08.2016 (год публикации - ).

13. Белотелов В.И., Звездин А.К., Калиш А.Н., Кожаев М.А. Плазмон-поляритоны, спиновые волны и нанофотоника ООО Издательская фирма Физико-Математическая Литература "ФИЗМАТЛИТ", Москва, - (год публикации - 2016).

14. Белотелов Владимир Игоревич, Ветошко Петр Михайлович, Князев Григорий Алексеевич «СЕНСОР МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА-БРИЛЛЮЭНА» -, Уведомление о приеме и регистрации заявки, Входящий № 072822, Регистрационный №2016145332. (год публикации - ).

15. Бержанский В.Н., Шапошников А.Н., Прокопов А.Р., Каравайников А.В., Михайлова Т.В., Лукиенко И.Н., Харченко Ю.Н., Голуб В.О., Салюк О.Ю., Белотелов В.И. Одномерные магнитофотонные кристаллы с двойными магнитооптическими слоями (One-Dimensional Magnetophotonic Crystals with Magnetooptical Double Layers) Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики (JETP), Т. 150, с. 859-867, (Vol. 123, pp. 744–751) (год публикации - 2016).

16. Боссини Д., Белотелов В.И., Звездин А.К., Калиш А.Н., Кимел А.В. Magnetoplasmonics and femtosecond opto-magnetism at the nanoscale ACS Photonics, 3, 1385–1400 (2016) (год публикации - 2016).

17. Ветошко П.М., Гусев Н.А., Чепурнова Д.А., Самойлова Е.В., Звездин А.К., Коротаева А.А., Белотелов В.И. Регистрация магнитокардиограмм крыс с помощью сенсора магнитного поля на основе феррит-гранатовых пленок (Rat Magnetocardiography Using a Flux-Gate Sensor Based on Iron Garnet Films) Медицинская Техника (Biomedical Engineering), № 4, с. 15-18 (Vol. 50, Is. 4, 237-240) (год публикации - 2016).

18. Ветошко П.М., Гусев Н.А., Чепурнова Д.А., Самойлова Е.В., Сыворотка И.И., Сыворотка И.М., Звездин А.К., Коротаева А.А., Белотелов В.И. Магнитомодуляционный сенсор магнитного поля на базе пленок феррита-граната для магнитокардиографических исследований (Flux-gate magnetic field sensor based on yttrium iron garnet films for magnetocardiography investigations) Письма в журнал технической физики (Technical Physics Letters), Т. 42, в. 16, с. 64-71 (Vol. 42, pp. 860-864) (год публикации - 2016).

19. Игнатьева Д.О., Калиш А.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Поверхностные плазмон–поляритоны в гибридных структурах, содержащих топологические изоляторы с аксионным эффектом УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ФИЗИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА, № 5, 165203 (год публикации - 2016).

20. Игнатьева Д.О., Капралов П.О., Князев Г.А., Боровкова О.В., Секатский С.К., Нюр-Е-Алам М., Аламех К., Белотелов В.И. SPR sensor with ultranarrow magnetoplasmonic resonance Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS), IEEE, pp. 67-69 (год публикации - 2016).

21. Игнатьева Д.О., Капралов П.О., Князев Г.А., Секацкий С.К., Дитлер Дж., Нюр-Е-Алам М., Васильев М., Аламех К., Белотелов В.И. Поверхностные высокодобротные моды в гетероструктурах «фотонный кристалл–пленка феррита-граната» для сенсорных применений (Surface high-quality-factor modes in heterostructures photonic crystal-ferrit-garnet film for sensing applications) Письма в ЖЭТФ (JETP Letters), Т. 104, с. 689-694 (Vol. 104, pp. 689-694) (год публикации - 2016).

22. Игнатьева Д.О., Князев Г.А., Капралов П.О., Секатский С.К., Белотелов В.И. Magnetophotonic plasmonic sensor based on surface resonances with ultra-high quality factor Scientific Reports, Vol. 6, pp. 28077 (год публикации - 2016).

23. Игнатьева Д.О., Секатский С.К., Хохлов Н.Е., Нур-Е-Алам М., Васильев М., Аламех К., Белотелов В.И. Enhancement of SPR-sensor Sensitivity in Garnet-based Plasmonic Heterostructures IEEE Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS) Proceedings, pp. 831-835 (год публикации - 2016).

24. Кожаев М.А., Чернов А.И., Савочкин И.В., А.Н. Кузьмичев, А.К. Звездин, В.И. Белотелов Особенности обратного эффекта Фарадея, возникающего в пленках феррита-граната при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами Письма в ЖЭТФ, Т. 104 (12), с. 851-855 (год публикации - 2016).

25. Рогачев А.Е., Ветошко П.М., Гусев Н.А., Кожаев М.А., Прокопов А.Р., Додонов Д.В., Шумилов А.Г., Шапошников А.Н., Бержанский В.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Vector magneto-optical sensor based on transparent magnetic films with cubic crystallographic symmetry Applied Physics Letters, Vol. 109 (Is.16), 162403 (год публикации - 2016).

26. Савочкин И.В., Кожаев М.А., Чернов А.И., Кузьмичев А.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Возбуждение динамики намагниченности фемтосекундными оптическими импульсами в эпитаксиальных пленках феррита-граната вблизи края зоны поглощения Физика твердого тела, - (год публикации - 2016).

27. Сылгачева Д., Хохлов Н., Калиш А., Дагесян С., Прокопов А., Шапошников А., Бержанский В., Нур-Е-Алам М., Васильев М., Аламех К., Белотелов В Transverse magnetic field impact on waveguide modes of photonic crystals Optics Letters, 41 (16), 3813-3816 (2016) (год публикации - 2016).

28. Сылгачева Д.А., Хохлов Н.Е., Калиш А.Н., Белотелов В.И. Волноводные моды одномерных фотонных кристаллов в поперечном магнитном поле (Waveguide modes of 1D photonic crystals in a transverse magnetic field) Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики (Journal of Experimental and Theoretical Physics), Т. 150, в. 5, с. 851-858 (Vol. 123, pp. 737–743) (год публикации - 2016).

29. Сылгачева Д.А., Хохлов Н.Е., Калиш А.Н., Белотелов В.И. Magnetic control of waveguide modes of Bragg structures Journal of Physics: Conference Series, 714, p. 012016 (год публикации - 2016).

30. Чернов А.И., Кожаев М.А., Савочкин И.В., Додонов Д.В., Ветошко П.М., Звездин А.К., Белотелов В.И. Optical excitation of spin waves in epitaxial iron garnet films: MSSW vs BVMSW Optics Letters, - (год публикации - 2016).

31. Шапошников А.Н., Прокопов А.Р., Бержанский В.Н., Михайлова Т.В., Харченко М.Ф., Белотелов В.И., Лукиенко И.М., Милославская О.В., Харченко Ю.М. Magnetooptics of Single and Microresonator Iron-garnet Films at Low Temperatures Optical Materials, Vol. 52, pp. 21–25 (год публикации - 2016).


Возможность практического использования результатов
не указано