Квантовый сенсор измеряет магнитное поле с непревзойденной точностью

Физики создали измеритель на основе конденсата Бозе — Эйнштейна, который способен определять статическое магнитное поле с беспрецедентной чувствительностью, микроскопическим разрешением и в широком диапазоне температур. В основе разработанного прибора под названием SQCRAMscope (scanning quantum cryogenic atom microscope — сканирующий квантовый криогенный атомный микроскоп) находится газ из ультрахолодных атомов. Статья с описанием экспериментальной техники опубликована в журнале Physical Review Applied.

Измерения малых магнитных полей с высоким разрешением важны во многих областях науки: для изучения активности в головном мозге и сердце, для археологических изысканий, для характеристики металлических компонентов и их дефектов, для исследования сверхпроводников. В последние годы сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (СКВИДы) стали стандартом для зондирования магнитного поля. Однако эти магнитометры должны содержаться в криогенной среде, а их исключительная чувствительность ограничена переменными полями.

Совсем недавно были созданы датчики переменного магнитного поля на основе NV-центров (азото-замещенная вакансия в алмазе). Эти датчики атомарного размера можно использовать как при комнатных, так и при криогенных температурах, они также обладают рекордным пространственным разрешением в несколько нанометров.

Другим направлением являются газовые сенсоры. Облако обладающих магнитным моментом атомов в состоянии конденсата Бозе — Эйнштейна, когда все частицы описываются одной волновой функцией, при включении внешнего магнитного поля начинает деформироваться из-за эффекта Зеемана. Американской группе удалось создать устройство, соединяющее все возможности датчиков на основе газа из ультрахолодных атомов: расположение конденсата близко к образцу и определение магнитного поля на основе возмущений плотности конденсата.

Профессор Бенджамин Лев и его группа из Стэнфордского университета добились чувствительности к статическому магнитному потоку на уровне 2,07×10⁻¹⁵ вебер, что на два-три порядке лучше, чем для СКВИДов, NV-датчиков или других современных устройств, которые демонстрируют подобные характеристики только для переменного поля. Также была продемонстрирована возможность работы нового прибора при температурах от комнатных вплоть до 35 К, причем в близком будущем может быть достигнута температура 4 К.