Chaque battement de votre cœur ou sursaut d'activité cérébrale repose sur de minuscules courants électrophysiologiques qui génèrent de minuscules ondulations dans le champ magnétique environnant. Ces variations de champ constituent la base d'une gamme d'outils de recherche et de techniques de diagnostic avec des noms éloquents comme la magnétoencéphalographie (MEG) et la magnétocardiographie (MCG). Mais exploiter les faibles champs magnétiques de la biologie nécessite des mesures héroïques et coûteuses, y compris des boucliers high-tech pour bloquer les plus gros, des forces magnétiques potentiellement confondantes tout autour de nous et des capteurs de champ magnétique de boutique qui nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide coûteux et encombrant.

Le nouveau programme de magnétomètre atomique pour l'imagerie biologique dans le terrain natif de la Terre (AMBIIENT) de la DARPA vise à faire entrer la détection de champ magnétique dans une nouvelle ère dans laquelle les MEG, MCG, et un assortiment d'autres techniques de détection de champ magnétique de liste de souhaits deviennent des réalités pratiques pour un large éventail d'applications. Potentiellement à l'horizon, par exemple, sont des systèmes de capteurs pour détecter les signaux rachidiens, diagnostiquer les commotions cérébrales, et les interfaces cerveau-machine (IMC) pour des utilisations telles que le contrôle des membres prothétiques et des machines externes via les signaux magnétiques subtils associés à la pensée.

Quelques éléphants dans la pièce ont empêché la détection du champ biomagnétique de s'étendre au-delà de ses limites actuelles. La planète Terre a été le plus gros buzz kill. Son champ magnétique moyen est de 50 millionièmes de Tesla, une unité d'intensité de champ magnétique nommée d'après l'inventeur du milieu du XIXe et du début du XXe siècle, Nikola Tesla. Cela signifie que le champ magnétique terrestre est un million à un milliard de fois plus fort que les 10 picoTesla (10 ^-11 Tesla) à 10 femtoTesla (10 ^-14 Tesla) champs magnétiques émanant du corps humain. En plus de ça, même les capteurs de champ magnétique de pointe d'aujourd'hui - basés, par exemple, sur les dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID) - souffrent d'une plage dynamique limitée, ce qui signifie qu'ils sont incapables de répondre de manière fiable en présence d'intensités de champ magnétique qui s'étendent sur plusieurs ordres de grandeur, comme c'est le cas lorsque les champs magnétiques biologiques se superposent au propre magnétisme de la Terre. Sans blindage intense, ces murmures magnétiques de la biologie seraient perdus au milieu du vacarme tonitruant du magnétisme de la Terre, même avec les meilleurs capteurs disponibles en jeu.

"Traditionnellement, la mesure de petits signaux magnétiques dans les environnements ambiants s'est appuyée sur des paires de capteurs haute performance séparés par une distance de base puis la mesure des petites différences de champ entre les deux capteurs, " dit Robert Lutwak, Responsable du programme AMBIIENT au sein du Bureau de la technologie des microsystèmes de la DARPA. "Cette technique gradiométrique a bien fonctionné pour les applications de levé géophysique et de détection de munitions non explosées, " Lutwak ajouta, "mais en raison de la combinaison de la plage dynamique limitée des capteurs et de la variation spatiale naturelle des signaux de fond, cette approche est de plusieurs ordres de grandeur en deçà de la capacité de détecter des signaux magnétiques biologiques. »

Le programme AMBIIENT met la communauté des chercheurs au défi de concevoir de nouveaux types de gradiomètres magnétiques capables de détecter les signatures magnétiques picoTesla et femtoTesla à l'air libre, sans blindage et quel que soit l'environnement du champ magnétique ambiant. Pour ce faire, les chercheurs devront, selon les mots de Lutwak, « exploiter de nouvelles techniques et architectures de physique atomique pour mesurer directement des gradients extrêmement petits dans les champs magnétiques sans avoir à comparer la différence entre les mesures de champ absolu de deux capteurs séparés le long d'une ligne de base. » Une approche basée sur la physique que les artistes AMBIIENT sont susceptibles de poursuivre est de surveiller les changements de polarisation ou d'autres caractéristiques mesurables d'un petit faisceau laser lorsqu'il traverse des cellules de vapeur hébergeant des atomes qui réagissent de manière à modifier le faisceau laser, même aux champs magnétiques femtoTesla. La surveillance des changements dans les caractéristiques de la lumière laser ouvrirait ainsi une fenêtre nouvelle et pratique sur des champs magnétiques qui étaient auparavant non mesurables dans des conditions ambiantes. Cela ouvre des scénarios dans lesquels, dire, un infirmier sur un champ de bataille serait capable d'utiliser un capteur en forme de baguette pour détecter rapidement un combattant à la recherche de signes de commotion cérébrale ou d'un autre traumatisme crânien écrits dans les champs magnétiques subtils du cerveau

« La détection et l'imagerie magnétiques à haute sensibilité offriront un nouvel outil puissant pour la recherche médicale et le diagnostic clinique de l'activité neurologique et cardiaque, " a déclaré Lutwak. " L'objectif de la DARPA est de disposer de la capacité de détection magnétique à haute sensibilité dans un appareil à faible coût qui peut fonctionner dans des environnements communs. " Il envisage également des extensions peu communes de la détection de champ magnétique, incluant la navigation magnétique (MagNav) en sauvegarde, alternative, ou en complément de la navigation par GPS. Equipé du genre de capteurs qui pourraient émerger du programme AMBIIENT, par exemple, un avion volant à l'altitude d'un avion de ligne pourrait être en mesure de suivre les variations du champ magnétique naturellement variables et bien cartographiées à la surface de la Terre pour déterminer son emplacement au-dessus du sol dans un rayon d'environ 250 mètres.