Superconducting-magnetoresistive sensor: Reaching the femtotesla at 77 K
Résumé
In order to measure extremely weak magnetic fields, such as those produced by the neuronal activity during cognitive tasks in the brain, we have proposed and realized a femtotesla (10-15T) sensor based on the association of spin electronics and superconductivity which offers an alternative in thin film technology and at 77K to the most sensitive devices which are low-TC SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices). The principle of these mixed sensors is to combine an efficient flux-to-field transformer, realized by a large superconducting loop containing a constriction, and a magnetoresistive sensor with very good sensitivity (GMR or TMR). Field levels of few fT/√Hz in the thermal noise have been reached at liquid nitrogen temperature, which is comparable to performances of SQUIDs in liquid helium. Performances are nevertheless reduced in the low frequency (below 1kHz) range due to 1/f noise present because of the small volume of the magnetoresistive element. Cancellation techniques based on switching on and off the sensor to reference points have been developed and already allow reducing the low frequency noise of more than one order of magnitude, leading to sensitivity in field of 0.1pT/√Hz at 1Hz. First measurements of the magnetic component of the cardiac signal (few pT/√Hz at 1Hz) have been acquired with mixed sensors. The very low thermal noise level has also allowed realizing nuclear quadrupolar resonance measurements on nitrogen compounds, which is a non invasive detection technique for solid explosives. We have also achieved first proton Low-Field Nuclear Magnetic Resonance experiments with such sensors, which has led to develop and build a Magnetic Resonance Imaging setup to realize 3D images at low field (<20mT), which is of great interest for low cost and portable equipment development.
Afin de permettre la mesure de champs magnétiques extrêmement faibles, comme ceux produits par l'activité neuronale lors des taches cognitives, nous avons proposé et réalisé un capteur femtotesla (10-15T) associant l'électronique de spin et la supraconductivité offrant une alternative en technologie couches minces et à 77K aux capteurs les plus sensibles actuellement que sont les SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) à basse température critique (4K). Le principe de base de ces capteurs, appelés capteurs mixtes, repose sur l'association d'un transformateur flux-champ très performant, obtenu grâce à une large boucle supraconductrice comprenant une constriction, et d'un capteur magnétique de type GMR ou TMR métallique de grande sensibilité. Des niveaux de détectivité de quelques fT/√Hz dans le bruit thermique ont pu ainsi être atteints à l'azote liquide, ce qui est comparable aux performances des SQUIDs à l'hélium liquide. Il existe cependant un bruit en 1/f à basse fréquence, dû au faible volume de l'élément magnétorésistif, qui limite les performances du capteur en dessous de 1kHz. Des techniques de suppression de ce bruit basse fréquence par bascule sur des points de référence du capteur sont étudiées et permettent déjà de réduire ce bruit de plus d'un ordre de grandeur, ce qui permet d'atteindre 0.1pT/√Hz à 1Hz. Grâce à ces capteurs, il a été possible de réaliser des premières mesures de la composante magnétique du signal cardiaque (signal de quelques pT/√Hz). Le très faible niveau de bruit thermique a permis également de réaliser des mesures de résonance quadrupolaire nucléaire sur des composés azotés qui est une technique de détection sélective d'explosifs. Nous avons aussi montré la possibilité de mesurer la résonance magnétique nucléaire du proton à très faible champ. Cela nous a conduit à développer un dispositif d'imagerie par résonance magnétique pour réaliser des images 3D à très bas champ (<20mT), ce qui présente un très grand intérêt pour la réalisation de systèmes d'IRM portables, faible coût, qu'il serait aussi possible d'intégrer dans un système de magnétoencéphalographie.