На МКС испытан квантовый прибор, замеривший магнитное поле Земли с использованием микроскопических алмазов.

Новости МирТесен

Для измерения магнитного поля Земли группа ученых применила микроскопические дефекты, присутствующие в структуре алмаза. Квантовое устройство под названием OSCAR-QUBE отличается компактными размерами, его грани составляют всего десять сантиметров. В качестве ключевого элемента выступает небольшой алмаз, сопоставимый по размеру с чечевицей, который фиксирует колебания магнитного поля благодаря имеющимся в нем дефектам.

В 2021 и 2022 годах прибор OSCAR-QUBE успешно функционировал на Международной космической станции в течение десяти месяцев. Этот космический эксперимент показал возможности квантовых магнитометров, которые в дальнейшем могут быть использованы в небольших спутниках, работающих на орбите.

Обычно для определения магнитного поля Земли используют большие спутники, вывод которых на орбиту сопряжен со значительными финансовыми издержками. В последнее время всё больше ученых обращают внимание на квантовые датчики, так как они позволяют создавать более компактное оборудование, при этом обеспечивая повышенную чувствительность и улучшенную стабильность в работе.

В основе OSCAR-QUBE находится крошечный алмаз, в котором расположены NV-центры (азотно-вакансионные центры). Эти дефекты кристаллической структуры формируются при отсутствии одного атома углерода и его замене атомом азота. Фактически, они функционируют как миниатюрные квантовые системы, или квантовые частицы, чьи энергетические состояния изменяются под воздействием магнитных полей.

Авторы эксперимента сообщают, что данные, полученные с помощью OSCAR-QUBE в период с 2021 по 2022 год, подтвердили прежние оценки магнитного поля Земли. В ходе исследования алмаз был подвергнут воздействию лазерного света и микроволнового излучения. Это позволило ученым фиксировать изменения в свечении, которые отражали колебания напряженности магнитного поля нашей планеты. Благодаря данной методике исследователи смогли составить карту пространственных вариаций земного магнитного поля, находясь на орбите.

Несмотря на то, что ученые знают о влиянии конвекции в жидком внешнем ядре на магнитное поле Земли, его истинная природа до сих пор остается загадкой. Исследователи сталкиваются с трудностями в объяснении быстрых и непредсказуемых изменений поля, а также его постепенного ослабления, которое наблюдается на протяжении последних двух столетий. Детальная картографическая съемка магнитного поля может предоставить ответы на эти нерешенные вопросы. Кроме того, она способна повысить точность навигации в ситуациях, когда недоступен GPS, и помочь в изучении геофизических процессов. « Изучение магнитного поля Земли представляет собой весьма интересный процесс, поскольку оно заключает в себе значительный объем данных », — уточнил Ярослав Груби, ведущий автор исследования из Университета Хассселта, расположенного в Бельгии.

Ученые констатируют, что производительность эксперимента OSCAR-QUBE оказалась ниже, чем у современных магнитометров. Тем не менее, крайне важно, что данная технология продемонстрировала свою эффективность в реальных условиях космоса. Дополнительные исследования позволят получить больше информации и повысить характеристики прибора. Несмотря на то, что команда получила ценные данные, они указали на то, что измерения проводились внутри МКС, где магнитные поля, генерируемые оборудованием, создавали помехи. В рамках следующей миссии будет использовано усовершенствованное квантовое оборудование, расположенное за пределами станции, для получения более точных данных. По мере развития технологии квантовые магнитометры могут стать обычными элементами будущих спутниковых систем, предоставляя высокоточные магнитные данные с помощью компактных устройств, выведение которых на орбиту обходится значительно дешевле.

Исследование в журнале Physical Review Applied.