Fibra detecta campos magnéticos do cérebro aos vulcões

Com informações da Agência Fapesp - 05/08/2021

Este é o vidro original, conhecido como pré-forma, que é derretido e "puxado" para fazer a fibra.
[Imagem: Douglas F. Franco et al. - 10.1038/s41598-021-89375-1]

Sensor magnético

Uma fibra óptico-magnética, sensível a campos magnéticos extremamente fracos, terá utilidades tão amplas quanto sensores neurais, implantados dentro do cérebro, até detectores da iminência de erupções vulcânicas.

Esta é a mais recente criação dos pesquisadores do Centro de Pesquisa e Inovação em Vidros, da Unesp em Araraquara (SP).

"Nossa fibra é tão sensível quanto os cristais magneto-ópticos utilizados no interferômetro do experimento LIGO, responsável pela primeira detecção de ondas gravitacionais. E apresenta duas vantagens adicionais: é muito mais barata e pode ser obtida em vários comprimentos, estendendo-se eventualmente por centenas de metros, o que a torna bastante conveniente para determinados tipos de sensoriamento," explicou o professor Marcelo Nalin, coordenador do trabalho.

A fibra é constituída por um vidro composto por vários óxidos, principalmente os óxidos de germânio (GeO₂) e boro (B₂O₃), com alta concentração de íons de térbio (Tb₃₊). Em vez de transportar dados, como as fibras ópticas comuns, sua vocação natural é a detecção de variações mínimas do campo magnético.

Efeito Faraday

O fenômeno físico que explica o funcionamento da fibra magneto-óptica como um sensor magnético é o chamado Efeito Faraday, descoberto em meados do século 19 pelo físico inglês Michael Faraday (1791-1867).

Firmemente convencido de que a luz era um fenômeno eletromagnético, Faraday buscou evidências de que seu comportamento poderia ser afetado por forças elétricas e magnéticas. Os experimentos que pôde realizar na época não foram suficientemente sensíveis para a detecção do efeito produzido pelo campo elétrico, mas ele conseguiu demonstrar o efeito produzido pelo campo magnético sobre um feixe de luz polarizada que atravessava um meio vítreo.

"O que acontece quando a luz polarizada atravessa o vidro, em presença de um campo magnético, é que seu plano de polarização sofre uma rotação em torno do eixo de propagação. E o ângulo de rotação é diretamente proporcional à intensidade do campo magnético e à distância percorrida pela luz," explicou Nalin.

A equação matemática que descreve o fenômeno é muito simples: θ = V.B.L, onde a letra grega teta é o ângulo de rotação da polarização da luz; V é a Constante de Verdet, que depende do material que compõe o vidro; B é a intensidade do campo magnético; e L é a distância percorrida pela luz enquanto sofre o efeito do campo magnético.

"Quando se observa essa equação, fica fácil perceber uma vantagem a mais proporcionada pelo uso de uma fibra óptica. Porque, como a distância [L] percorrida pela luz no interior da fibra é muito grande, mesmo uma variação extremamente pequena do campo magnético [B], como ocorre nos fenômenos cerebrais, seria capaz de produzir uma rotação mensurável [θ] na polarização da luz. Medindo-se o ângulo de rotação, é possível estimar o valor do campo magnético," detalhou o professor Nalin.

A sensibilidade da fibra aos campos magnéticos é tamanha que ela poderá detectar os sinais cerebrais do lado de fora do crânio.
[Imagem: Douglas F. Franco et al. - 10.1038/s41598-021-89375-1]

Cérebro e vulcões

A passagem do protótipo de laboratório à fabricação de sensores magnéticos para uso prático demandará ainda toda a etapa de desenvolvimento tecnológico.

Mas os pesquisadores já estimam que, enquanto em uma atividade como o sensoriamento de vulcões a fibra poderá ser utilizada de forma estendida, aprofundando-se eventualmente por centenas de metros no subsolo, em outro uso, como o sensoriamento cerebral, ela deverá ser enrolada na forma de um capacete, a ser colocado sobre o crânio do paciente.

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