Ученые из Университета Колорадо в Боулдере разработали инновационный метод измерения ориентации магнитных полей, используя атомы в качестве высокочувствительных компасов. Этот прорыв, осуществленный в совместном исследовательском институте JILA, открывает новые горизонты для квантовых сенсорных технологий. Традиционные методы измерения магнитных полей часто сталкиваются с ограничениями, особенно в отношении определения направления поля и в условиях внешних магнитных помех. Новая технология, основанная на использовании атомов, стремится преодолеть эти барьеры.
Ключевой элемент этого метода — использование паров рубидия. Атомы рубидия, подобно крошечным компасам, демонстрируют сдвиги в энергетических уровнях при воздействии магнитных полей. Эти сдвиги, измеряемые с помощью лазеров, позволяют точно определить как силу, так и направление магнитного поля. Исследователи используют последовательное поведение атомов в качестве надежного ориентира, заменяя традиционные металлические катушки, которые со временем деформируются и теряют точность.
Одной из особенностей метода является применение микроволновой антенны в качестве эталона. При воздействии микроволновых сигналов внутренняя структура атомов начинает «танцевать», раскрывая информацию об энергетических переходах, которые в свою очередь, отражают параметры магнитного поля. Это позволяет проводить измерения с точностью до сотой доли градуса, что значительно превосходит возможности существующих методов.
Разработанный метод является важным шагом на пути к созданию нового поколения квантовых сенсоров. Он может быть использован в самых разнообразных областях. Например, для картирования активности мозга, что может привести к лучшему пониманию и лечению неврологических заболеваний. Технология может быть использована для навигации самолетов в условиях, где традиционные системы неэффективны, а также для измерения магнитных источников в плотных и непрозрачных средах, таких как водная или почвенная среда, а также внутри черепной коробки.
Особую роль в разработке сыграли такие исследователи как Синди Регал, профессор физики и член JILA, и Свеня Кнаппе, профессор кафедры машиностроения, а также аспирант Доусон Хьюат из лаборатории Регал. Вклад в исследование внесли и бывшие аспиранты JILA Кристофер Киль, Тобиас Тиле и аспирант Танмай Менон. Свеня Кнаппе также является соучредителем компании FieldLine Inc., основанной в 2017 году и специализирующейся на разработке атомных магнитных сенсоров. Размеры ОПМ (оптически накачиваемых магнитометров), разрабатываемых FieldLine Inc., сопоставимы с размером кубика сахара.
Следует отметить, что в отличие от существующих оптически накачиваемых магнитометров, которые в основном измеряют силу магнитного поля, новая методика направлена на точное определение его ориентации, даже в условиях внешней магнитной интерференции. Это достигается за счет использования около ста миллиардов атомов рубидия в качестве «компасов».
Разработанная технология имеет потенциал для широкого спектра применений, от фундаментальных исследований до практических задач. Использование атомов в качестве точных ориентиров позволяет создать чувствительные датчики, способные совершить прорыв в различных областях науки и техники. Дальнейшие исследования будут направлены на совершенствование этой технологии и ее адаптацию для различных задач.
Изображение носит иллюстративный характер
Ключевой элемент этого метода — использование паров рубидия. Атомы рубидия, подобно крошечным компасам, демонстрируют сдвиги в энергетических уровнях при воздействии магнитных полей. Эти сдвиги, измеряемые с помощью лазеров, позволяют точно определить как силу, так и направление магнитного поля. Исследователи используют последовательное поведение атомов в качестве надежного ориентира, заменяя традиционные металлические катушки, которые со временем деформируются и теряют точность.
Одной из особенностей метода является применение микроволновой антенны в качестве эталона. При воздействии микроволновых сигналов внутренняя структура атомов начинает «танцевать», раскрывая информацию об энергетических переходах, которые в свою очередь, отражают параметры магнитного поля. Это позволяет проводить измерения с точностью до сотой доли градуса, что значительно превосходит возможности существующих методов.
Разработанный метод является важным шагом на пути к созданию нового поколения квантовых сенсоров. Он может быть использован в самых разнообразных областях. Например, для картирования активности мозга, что может привести к лучшему пониманию и лечению неврологических заболеваний. Технология может быть использована для навигации самолетов в условиях, где традиционные системы неэффективны, а также для измерения магнитных источников в плотных и непрозрачных средах, таких как водная или почвенная среда, а также внутри черепной коробки.
Особую роль в разработке сыграли такие исследователи как Синди Регал, профессор физики и член JILA, и Свеня Кнаппе, профессор кафедры машиностроения, а также аспирант Доусон Хьюат из лаборатории Регал. Вклад в исследование внесли и бывшие аспиранты JILA Кристофер Киль, Тобиас Тиле и аспирант Танмай Менон. Свеня Кнаппе также является соучредителем компании FieldLine Inc., основанной в 2017 году и специализирующейся на разработке атомных магнитных сенсоров. Размеры ОПМ (оптически накачиваемых магнитометров), разрабатываемых FieldLine Inc., сопоставимы с размером кубика сахара.
Следует отметить, что в отличие от существующих оптически накачиваемых магнитометров, которые в основном измеряют силу магнитного поля, новая методика направлена на точное определение его ориентации, даже в условиях внешней магнитной интерференции. Это достигается за счет использования около ста миллиардов атомов рубидия в качестве «компасов».
Разработанная технология имеет потенциал для широкого спектра применений, от фундаментальных исследований до практических задач. Использование атомов в качестве точных ориентиров позволяет создать чувствительные датчики, способные совершить прорыв в различных областях науки и техники. Дальнейшие исследования будут направлены на совершенствование этой технологии и ее адаптацию для различных задач.
