Российские физики, представляющие вузы Новосибирска, Москвы, Атланты (США) и Кембриджа (Великобритания), продемонстрировали новый чисто оптический векторный магнитометр.

Высокоточные магнитометры считаются одними из самых востребованных приборов; они находят применение в фундаментальной физике, археологии, астрофизике, медицине. Такие устройства можно разделить на два класса:

• в первом — скалярном — окажутся те, что измеряют амплитуду магнитного поля, а
• во втором — векторном — более сложные приборы, определяющие ещё и направление поля.

Магнитометрия с использованием систем, в которых роль преобразователей параметров магнитного поля в измеряемые величины играют атомы, в последнее время развивается чрезвычайно активно, так как она предлагает высокую чувствительность и точность. Особый интерес представляют исключительно оптические методы «снятия показаний» с атомов, позволяющие конструировать скромные по размерам приборы.

Предложенная исследователями методика измерения основана на эффекте электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП). Этот эффект позволяет получить среду с узким провалом в спектре поглощения и обнаруживается при воздействии на трёхуровневую квантовую систему (Λ-схему) двух резонансных полей с различающимися частотами.

В экспериментах по наблюдению ЭИП часто задействуют атомы ⁸⁷Rb, и российские учёные также сделали выбор в пользу рубидия, поместив его в ячейку длиной 40 и диаметром 25 мм, которая была заполнена буферным газом — неоном. Температура поддерживалась на уровне 45˚C, а воздействовало на атомы бихроматическое линейно поляризованное излучение.

В опыте учитываются сразу четыре Λ-схемы (см. рис. ниже), две из которых — Λ₁ и Λ₂ — не зависят от магнитного поля и отвечают за центральный ЭИП-резонанс. Λ₃ и Λ₄, напротив, имеют выраженную зависимость такого рода и дают два резонанса, которые находятся справа и слева. На этом и построено измерение модуля вектора магнитной индукции: его изменение приводит к заметному увеличению или уменьшению частотного «расстояния» между крайними резонансами.

Рис. 1. Четыре Λ-схемы для 87Rb и три ЭИП-резонанса. Красным и синим выделены кривые, соответствующие разной ориентации вектора e (см. пояснения ниже в тексте). Указанное значение частоты измерено для магнитного поля с индукцией в 1 Гс. (Иллюстрации из журнала Physical Review A).

Определить пространственную ориентацию вектора сложнее. Здесь необходимо учитывать направления волнового вектора k, поляризации e и вектора индукции В. Легко показать, что амплитуда центрального резонанса максимальна при том условии, что e располагается под прямым углом к В (то есть угол φ на рисунке ниже равен 0˚ или 180˚). Измерение выглядит следующим образом: сначала для выбранного вектора k₁ экспериментаторы, вращая полуволновую пластинку, устанавливают такое положение e, в котором амплитуда ЭИП-резонанса достигает максимума, и определяют плоскость, где лежат вектора k₁ и В. Затем процедура повторяется для некоторого k₂ (скажем, ориентированного перпендикулярно k₁), а по результатам определяется плоскость (k₂, В). Линия пересечения двух найденных плоскостей даёт направление В.

Рис. 2. Расположение векторов k, e и В (иллюстрация из журнала Physical Review A).

Гораздо более подробное изложение теоретических принципов работы магнитометра можно найти в статье тех же авторов, опубликованной в 2005 году в журнале «Письма в ЖЭТФ» http://www.jetpletters.ac.ru/.

Опыты показали, что прибор демонстрирует хорошую чувствительность (10^-3 град/Гц^1/2) и готов работать с полями с индукцией в диапазоне 0,1–200 Гс. Его параметры можно настраивать, изменяя объём ячейки с рубидием, температуру, тип буферного газа и давление.

Отдельно отмечается то, что преобразование результатов эксперимента не требует разработки сложных математических моделей.

Результаты исследований опубликованы в статье: V. I. Yudin, A. V. Taichenachev, Y. O. Dudin, V. L. Velichansky, A.S. Zibrov and S. A. Zibrov Vector magnetometry based on electromagnetically induced transparency in linearly polarized light. – PHYSICAL REVIEW A. – 2010. – 82. – P. 033807.

По материалам: