Квантовый прибор на борту МКС успешно измерил магнитное поле Земли с помощью крошечных алмазов
Команда исследователей использовала крошечные дефекты в алмазной решетке, чтобы успешно измерить магнитное поле Земли. Квантовое устройство, получившее название OSCAR-QUBE, имеет размер всего десять сантиметров по каждой стороне. В его основе лежит небольшой алмаз размером с чечевицу, который обнаруживает изменения магнитного поля благодаря своим дефектам.
OSCAR-QUBE надежно работал на борту Международной космической станции (МКС) в течение десяти месяцев в 2021 и 2022 годах. Эта миссия продемонстрировала перспективность квантовых магнитометров, которые в будущем смогут выйти на орбиту Земли в составе небольших спутников.
Традиционные космические измерения магнитного поля Земли часто полагаются на крупные спутники, запуск которых на орбиту требует огромных затрат. Все больше исследователей сосредотачиваются на квантовых датчиках, поскольку они позволяют уменьшить габариты аппаратуры, одновременно обеспечивая более высокую чувствительность и лучшую эксплуатационную стабильность.
Сердце OSCAR-QUBE — это небольшой алмаз, содержащий так называемые NV-центры (азотно-вакансионные центры). Эти дефекты решетки возникают, когда один атом углерода отсутствует, а соседний атом заменен азотом. По сути, они ведут себя как крошечные квантовые системы, или квантовые частицы, чьи энергетические уровни смещаются в ответ на магнитные поля.
По словам научной группы, стоящей за экспериментом, показания OSCAR-QUBE, полученные в 2021–2022 годах, совпали с предыдущими оценками магнитного поля Земли. Исследователи проводили эксперимент, освещая алмаз лазерным светом и используя микроволновое излучение. Это позволило им регистрировать изменения в испускаемом свете, которые соответствовали колебаниям напряженности магнитного поля Земли. Используя этот метод, ученые смогли нанести на карту пространственные различия в земном поле, находясь на орбите.
Ученые до конца не понимают природу магнитного поля Земли. Хотя известно, что на него влияют конвективные движения в жидком внешнем ядре планеты, исследователи не могут полностью объяснить его быстрые, непредсказуемые изменения, а также то, почему оно постепенно ослабевает уже около двухсот лет. Точное картографирование поля может дать ответы на эти неизвестные вопросы. Это также может улучшить навигацию в условиях отсутствия GPS-сигнала и пролить свет на геофизические процессы. «Магнитное поле Земли на самом деле очень увлекательно измерять, потому что оно содержит огромное количество информации», — пояснил ведущий автор исследования Ярослав Груби из Университета Хассселта в Бельгии.
Ученые отмечают, что производительность эксперимента OSCAR-QUBE не превзошла показатели самых современных обычных магнитометров. Однако, что крайне важно, эта технология успешно подтвердила свою работоспособность в реальных космических условиях. Дальнейшие эксперименты помогут собрать больше данных и улучшить характеристики прибора. Хотя команда собрала ценные данные, они отметили, что измерения проводились изнутри МКС, где магнитные поля от оборудования вызывали определенные помехи. В рамках следующей миссии будет использовано улучшенное квантовое оборудование, размещенное снаружи станции, для получения более чистых данных. По мере совершенствования аппаратуры квантовые магнитометры могут стать стандартными компонентами будущих спутниковых группировок, обеспечивая высокоточные магнитные данные с помощью компактных полезных нагрузок, запуск которых на орбиту обходится значительно дешевле.
Исследование в журнале Physical Review Applied.