Физики создали рекордно точный магнитометр на основе компаса

Американские физики предложили теоретическое описание нового магнитометра, обладающего рекордной чувствительностью к магнитным полям. Его рабочим телом является очень тонкая магнитная игла, которая, в отличие от традиционного компаса, не замирает вдоль линий напряженности поля, а прецессирует вокруг этого направления — описывает конус с определенной частотой. Частота этого вращения очень чувствительна к силе поля — по словам авторов, новый магнитометр сможет определить поля примерно в 1000 раз слабее, чем лучшие современные магнитометры. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Ученые теоретически моделировали поведение кобальтовой иглы в магнитном поле, чтобы выяснить, почему стрелка компаса ведет себя иначе, чем изолированые атомы. Для последних известно и хорошо изучено явление ларморовской прецессии — спин атома в магнитном поле направлен не строго вдоль линий напряженности поля, а вращается вокруг этого направления с определенной частотой, зависящей от индукции. К примеру, частота вращения спина протона в поле с индукцией в один тесла равна 42 мегагерцам.

Авторы обнаружили, что в некоторых условиях этот эффект можно пронаблюдать и в макроскопических объектах. Физики использовали для теоретической демонстрации модель кобальтовой иглы, состоящей из одного магнитного домена — спины всех атомов в такой игле строго сонаправлены. Если при этом поле, в котором находилась игла, было достаточно слабым, то она начинала прецессировать подобно атомам.

Физики оценили теоретический предел чувствительности иглы. Он оказался ниже, чем квантовый предел чувствительности, ограничивающий измерения магнитных полей с помощью прецессии атомов. Это связано с тем, что атомы в однодоменной магнитной игле — скоррелированная система из большого количества спинов, с помощью которой можно проводить измерения на больших масштабах времени. Благодаря этому оказывается меньшей неопределенность результата измерения — неопределенности измерений на каждом отдельном атоме «усредняются».

Благодаря этому устройство может чувствовать поля с магнитной индукцией менее одного фемтогаусса. Это примерно в 50 раз меньше, чем пороговая чувствительность Gravity Probe B, накапливаемая за несколько дней измерений и в квадриллион раз (миллион миллиардов) слабее, чем магнитное поле Земли. По словам авторов, такие измерения могут потребоваться для поиска чрезвычайно слабых полей, предсказанных некоторыми, до сих пор не проверенными теориями квантовой гравитации и темной материи. Однако, создание реального магнитометра на этом принципе — сложная техническая задача. Современный уровень технологий позволяет создать однодоменную иглу длиной 10 микрометров и диаметром в один микрометр, но работа прибора потребует полной изоляции иглы от магнитного поля Земли, сильного ее охлаждения и левитации. 

Владимир Королёв