iStockphoto.com/kvkirillov
Ученые предложили конструкцию принципиально нового магнитометра, обладающего рекордной чувствительностью к магнитным полям. Его исполнительным элементом является очень тонкая ферромагнитная игла, которая, в отличие от традиционного компаса, не выстраивается вдоль силовой линии поля, а прецессирует вокруг этого направления с определенной частотой, описывая коническую поверхность. Частота этого вращения зависит от силы поля — по словам авторов, чувствительность их детища примерно в 1000 раз выше, чем у лучших современных магнитометров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.
Авторы работы теоретически моделировали поведение кобальтовой иглы в магнитном поле, чтобы выяснить, почему стрелка компаса ведет себя иначе, чем изолированые атомы. Для последних известно явление ларморовской прецессии — вектор магнитного момента атомов в магнитном поле направлен не строго вдоль вектора внешнего магнитного поля, а вращается (прецессирует) вокруг этого направления с определенной частотой, зависящей от индукции поля (так, частота вращения магнитного момента протона в поле с индукцией в 1 Tесла равна 42 мегагерцам).
Физики обнаружили, что в некоторых условиях этот эффект можно наблюдать и для макроскопических объектов. Ученые использовали для теоретической демонстрации модель кобальтовой иглы, состоящей из одного магнитного домена — спины (собственные моменты импульса) всех атомов в такой игле строго сонаправлены. Если при этом поле, в котором находилась игла, было достаточно слабым, то она начинала прецессировать подобно атомам.
Авторы работы оценили теоретический предел чувствительности иглы к магнитному полю. 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 неопределенность результата измерения уменьшается, т.к неопределенности измерений на каждом отдельном атоме «усредняются».
Благодаря этому устройство может «чувствовать» поля с магнитной индукцией менее одного фемтогаусса (10-15гс). Это примерно в 50 раз меньше, чем пороговая чувствительность измерительных систем спутника Gravity Probe B, накапливаемая за несколько дней измерений и в квадриллион раз (миллион миллиардов) слабее, чем магнитное поле Земли. По словам основного автора работы Дерека Д. Кимбалла (Derek Jackson Kimball), 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 мкм (микрометров) и радиусом в 1 мкм, но работа прибора потребует полной изоляции иглы от магнитного поля Земли, сильного ее охлаждения и левитации (работы без непосредственного контакта иглы с подставкой).
Центр перспективного развития ВСЕГЕИ
Источник(и): https://nplus1.ru/news/2016/05/16/compass http://physics.aps.org/articles/v9/53
Derek F. Jackson Kimball, Alexander O. Sushkov and Dmitry Budker. «Precessing Ferromagnetic Needle Magnetometer». Phys. Rev. Lett. 116, 190801 – Published 13 May 2016.
