Группа физиков из Университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley) создали устройство, которое способно измерять магнитные поля с до сих пор недостижимой точностью.

Подобные устройства используются в различных областях, от геологии до полупроводниковой индустрии. Одним из преимуществ нового устройства является возможность измерять низкочастотные поля (в частности, в мозге человека) с великолепной точностью и пространственным разрешением.

Для создания нового прибора исследователям понадобилось охладить газ атомов рубидия до температуры 50 наноКельвин (всего на 50 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля), при которой в газе происходит Бозе-Эйнштейновская конденсация. Конденсат является квантовой жидкостью, которая является одновременно сверхтекучей и магнитной. Делая «снимки» газа и исследуя его магнитные свойства, исследователи смогли в течение 0.25 секунды измерений детектировать магнитные поля с индукцией всего 1 пикоТесла, что в 50 миллионов раз слабее магнитного поля Земли. Однако главным достижением является даже не столько чувствительность метода, сколько пространственное разрешение, которое составляет всего 10х10 микрон.

В то время как первые Бозе-Эйнштейновские конденсаты, полученные в 1995 году, удерживались в магнитных ловушках для избежания нагрева от стенок сосуда, для создания Бозе-Эйнштейновского магнетометра исследователи использовали «оптическую ловушку», создаваемую маломощным лазерным излучением. При этом атомы конденсата оказываются способны реагировать на чрезвычайно слабые магнитные поля. В магнитном поле спин атома начинает прецессировать (аналогично волчку), и по частоте этой прецессии можно определить напряжённость внешнего поля.

Ключевым элементом нового магнетометра является способ получения «снимков» магнитного состояния – ориентации спинов атомов сверххолодного газа. Снимки делаются с высокой частотой, после чего из полученного «фильма» вычисляются частоты прецессии спинов. А поскольку атомы при такой температуре практически неподвижны, прецессия каждого из них определяется локальным магнитным полем, что и позволяет получить пространственную картину магнитного поля. Хотя некоторые системы, например, спин-поляризованные атомарные газы, и позволяют добиться большей чувствительности, в таких «горячих» системах атомы быстро пробегают через всё устройство (имеющее размеры порядка сантиметра), так что пространственное разрешение таких устройств значительно ниже, чем у Бозе-Эйнштейновского магнетометра.

Самые прецизионные из существующих медицинские магнетометров – SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) – основаны на явлении квантовой интерференции. Их чувствительность достигает порядка 30 пТл, а время измерения составляет порядка секунды. Созданное группой из Беркли устройство уже достигло или превзошло теоретические пределы, достижимые для SQUID-детекторов, и при этом возможно его дальнейшее усовершенствование. Возможно, с появлением Бозе-Эйнштейновских магнетометров меньших размеров и сложности, они вытеснят современные устройства из многих областей приложений, в частности, связанных с измерением полей в мозге, где необходима хорошая чувствительность на низких частотах и высокое пространственное разрешение.

Василий Артюхов