Сверхчувствительный магнетометр

Современные магнетометры способны точно измерить силу, направление и относительное изменение магнитного поля в некоторой точке пространства, а знать эти величины необходимо в самых разных областях жизни. Магнитные поля как самой Земли, так и локальные аномалии ее недр служат для предсказания погоды и обнаружения полезных ископаемых, поля пород и археологических артефактов позволяют определять их возраст, поля живых организмов необходимы для изучения физиологии и разработки новых методов лечения.

Хотя магнетометр и ведет свою родословную от обычного компаса, иногда физики используют самые экзотические принципы измерений. Самые точные дают, естественно, сверххолодные системы, где устранен такой важный источник помех, как тепловое движение. Например, наибольшую чувствительность дают измерения токов в миниатюрных сверхпроводящих квантовых приборах (сквидах), и у специалистов сложилось убеждение, что предел чувствительности уже достигнут, поскольку работа идет уже с объектами на квантовом уровне, где все ограничивает соотношение неопределенности Гейзенберга. Это убеждение поколебала новая работа группы экспериментаторов из Института фотонных наук (Испания) и университета Аальто (Финляндия), выполненная под руководством профессора из первого Моргана Митчелла (Morgan Mitchell).

Эти ученые создали прибор, чувствительность которого в семнадцать раз превысила лучшие достижения предыдущих исследователей. В качестве сенсора поля физики использовали сверххолодные атомы рубидия. Их превращали в конденсат Бозе — Эйнштейна, и получалась, в сущности, капля сверхтекучей магнитной жидкости, подвешенной в оптической патоке. При малейшем воздействии магнитного поля жидкость меняет свою форму, а поскольку она сверхтекучая, то делает это без потерь на трение. Значит, исчезает еще один источник помехи измерениям. Для того чтобы заметить изменение формы, ученые используют тестовый луч лазера, параметры которого подобраны так, чтобы не вызвать никаких возмущений в сверххолодном облачке атомов. Все это позволило нарастить чувствительность до рекордного уровня.

Физики планируют увеличить точность измерений, для чего собираются улучшить технику, которая считывает параметров конденсата. Может помочь и применение других веществ, например антиферромагнитных атомов натрия (напомним, что если ферромагнитные атомы выстраивают свой спин в одном направлении вдоль внешнего магнитного поля, то антиферромагнитные атомы через один выстраивают спин по полю и против него, то есть у антиферромагнетика суммарная намагниченность равна нулю). Профессор Митчелл особо отмечает, что новым прибором можно измерять поля человеческого мозга, которые в миллион раз слабее магнитных полей нашей планеты. Очевидно, это важно для дальнейшего проникновения в тайны главного органа человеческого организма.

(Proceedings of the National Academy of Sciences, 19, 6, 2022)