اندازه گیری میدان مغناطیسی با دقت بالا و حسگر‌های مبتنی بر اتم به دست آمد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه کلرادو بولدر (CU Boulder) پیشرفت قابل توجهی در اندازه گیری میدان مغناطیسی داشته‌اند.

آنها تکنیک جدیدی را توسعه داده‌اند که از اتم‌ها به عنوان قطب نما‌های بسیار دقیق استفاده می‌کند. این تکنیک این پتانسیل را دارد که فناوری حسگر کوانتومی را متحول کند.

این تحقیق قابلیت‌های اتم‌های بخار به دام افتاده را نشان می‌دهد. این اتم‌ها می‌توانند به طور همزمان تغییرات دقیقه در قدرت و جهت میدان مغناطیسی را اندازه گیری کنند. این قابلیت اندازه گیری ترکیبی برای بسیاری از کاربرد‌ها ضروری است.

سیندی ریگال، استاد فیزیک و همکار JILA، می‌گوید: اتم‌ها می‌توانند چیز‌های زیادی به شما بگویند.

ما در حال استخراج داده‌ها هستیم تا به طور همزمان بفهمیم که آیا میدان‌های مغناطیسی با مقادیر بسیار کمی تغییر می‌کنند یا خیر و این میدان‌ها به چه جهتی اشاره می‌کنند.

چالش‌های اندازه گیری میدان‌های مغناطیسی

میدان‌های مغناطیسی در همه جا وجود دارند. آنها توسط هسته زمین تولید می‌شوند. آنها همچنین توسط فعالیت الکتریکی مغز انسان تولید می‌شوند.

با این حال، اندازه گیری دقیق جهت این میدان‌ها چالش برانگیز است. این به ویژه برای سنسور‌های اتمی صادق است.

فناوری‌های کنونی مانند مغناطیس‌سنج‌های پمپ‌شده نوری (OPM)، قادر به اندازه‌گیری قدرت میدان هستند. با این حال، تعیین جهت، به ویژه در محیط‌های بدون محافظ، مانع مهمی است.

روش‌های کالیبراسیون سنتی که از کویل‌های فلزی استفاده می‌کنند نیز دارای محدودیت‌هایی هستند. این سیم پیچ‌ها مستعد تخریب و اعوجاج هستند که می‌تواند دقت را به خطر بیندازد.

استفاده از آنتن مایکروویو به عنوان مرجع

تیم CU Boulder از یک محفظه کوچک حاوی میلیارد‌ها اتم روبیدیم در حالت بخار استفاده کرد. هنگامی که یک میدان مغناطیسی اعمال می‌شود، اتم‌ها تحت تغییر انرژی قرار می‌گیرند. محققان برای اندازه گیری دقیق این جابجایی‌ها از لیزر استفاده کردند. این به آنها اجازه داد تا جهت گیری میدان را تعیین کنند.

داوسون هیوات، دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه Regal در JILA توضیح داد: شما می‌توانید هر اتم را به عنوان یک سوزن قطب نما در نظر بگیرید؛ و ما یک میلیارد سوزن قطب نما داریم که می‌تواند دستگاه‌های اندازه گیری بسیار دقیقی را بسازد.

یک نوآوری کلیدی در رویکرد آنها استفاده از آنتن مایکروویو به عنوان مرجع است که از ثبات ذاتی اتم‌ها برای حفظ کالیبراسیون در طول زمان استفاده می‌کند.

این تیم در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت: اگر یکی از اتم‌های تیم را با سیگنال مایکروویو زاپ کنید، ساختار داخلی آن تکان می‌خورد – نوعی رقص اتمی که می‌تواند چیز‌های زیادی را به فیزیکدانان بگوید.

ریگال افزود: در نهایت، ما می‌توانیم آن تکان‌ها را بخوانیم، که به ما در مورد قدرت انتقال انرژی اتم‌ها می‌گویند، که سپس جهت میدان مغناطیسی را به ما می‌گوید.

مشکلات مربوط به تکنیک‌های کالیبراسیون سنتی را از بین می‌برد. ریگال خاطرنشان می‌کند: «اتم‌ها همیشه یکسان هستند. این ویژگی اساسی آنها را برای کاربرد‌های سنجش پیشرفته بسیار مناسب می‌کند.

دقت و کاربرد‌های بالقوه

این تیم در آزمایشات خود به دقت بالایی دست یافتند. آنها توانستند جهت میدان مغناطیسی را با دقتی نزدیک به یک صدم درجه تعیین کنند.

در حالی که اصلاح بیشتر ضروری است، کاربرد‌های بالقوه قابل توجه است. محققان پیشنهاد می‌کنند که از این قطب‌نما‌های اتمی می‌توان برای تصویربرداری از مغز و حتی اهداف ناوبری استفاده کرد.

Svenja Knappe، استاد پژوهشی در گروه مهندسی مکانیک Paul M. Rady، نتیجه گیری کرد: اکنون این سؤال مطرح است: تا کجا می‌توانیم این سیستم‌های اتمی را پیش ببریم؟