Квантовый магнитометр представляет собой высокоточный измерительный прибор, действие которого основано на фундаментальных квантовых явлениях. В его работе используются такие эффекты, как изменение магнитного потока в сверхпроводящих контурах, переходы между магнитными подуровнями атомов, а также свободная прецессия магнитных моментов электронов или атомных ядер.
Области применения
Основная сфера использования квантовых магнитометров — измерение слабых магнитных полей. Эти приборы незаменимы для изучения магнитного поля Земли, выявления его аномалий на поверхности, в атмосфере и на орбитах спутников. Они также применяются для исследования магнитных полей других планет Солнечной системы. На практике такие устройства помогают в разведке полезных ископаемых, поиске затонувших объектов, проведении магнитного каротажа скважин и во многих других геофизических и инженерных задачах.
Физические основы работы
Принцип действия прибора опирается на зависимость энергии квантовых систем от внешнего магнитного поля. Атомные ядра, электроны или молекулы, обладающие магнитным моментом, в магнитном поле расщепляются на несколько энергетических подуровней. Разница энергий между этими подуровнями прямо пропорциональна напряженности поля. Переход частицы с одного уровня на другой сопровождается излучением или поглощением кванта электромагнитной энергии. Частота этого излучения равна частоте прецессии магнитного момента и лежит, как правило, в радиодиапазоне. Измеряя эту резонансную частоту, можно с высочайшей точностью определить напряженность поля, так как связывающий их коэффициент выражается через фундаментальные физические константы. Современные приборы такого типа достигают чувствительности порядка 10–8 Э (или 10–3 гамм).
Типы квантовых магнитометров
Электронные магнитометры
В этих устройствах используется прецессия магнитных моментов неспаренных электронов в парамагнитных атомах. Частота прецессии для электронов значительно выше, чем для ядер: в поле 1 Э она составляет 2.8 МГц. Это означает, что изменение поля всего на 1 гамму приводит к сдвигу частоты на 28 Гц, что делает электронные магнитометры в сотни раз чувствительнее протонных аналогов. Для усиления сигнала часто применяют методы динамической поляризации ядер, что позволяет многократно увеличить намагниченность образца.
Оптические магнитометры
Датчиком в таком приборе служит колба с парами щелочного металла (например, рубидия или цезия), атомы которого обладают неспаренным электроном. При облучении колбы циркулярно поляризованным светом определенной частоты происходит резонансное рассеяние и «оптическая накачка» — ориентация магнитных моментов атомов. Если затем приложить переменное магнитное поле, частота которого соответствует переходу между магнитными подуровнями, ориентация сбивается, и пары металла вновь начинают интенсивно рассеивать свет. Измеряя эту резонансную частоту, определяют напряженность внешнего поля. Оптические магнитометры исключительно чувствительны и идеально подходят для измерения сверхслабых полей, например, в космическом пространстве.
Сверхпроводящие магнитометры (СКВИДы)
Работа этих приборов основана на эффекте квантования магнитного потока в сверхпроводящем контуре. Магнитный поток, захваченный сверхпроводящим кольцом, может изменяться только порциями, кратными кванту потока. Используя контур с двумя переходами Джозефсона (СКВИД), можно наблюдать периодические изменения тока, протекающего через него, в зависимости от внешнего магнитного потока. Измерив этот ток и зная площадь контура, вычисляют напряженность поля. Такие устройства обладают колоссальной чувствительностью, позволяя регистрировать изменения поля в доли гаммы.
Преимущества
Все типы квантовых магнитометров отличаются высокой стабильностью. Их показания практически не зависят от вибраций, ориентации прибора в пространстве, а также от изменений температуры, влажности и атмосферного давления, что делает их надежным инструментом для точных измерений в различных условиях.