Учёные заставили магнит парить в воздухе для поиска тёмной материи
Физики создали миниатюрный магнит, который устойчиво парит в воздухе без механической опоры и способен регистрировать чрезвычайно слабые магнитные сигналы прямо на фоне магнитного поля Земли. Чувствительность нового прибора достигает 32 фемтотесла на корень из герца — этого достаточно, чтобы различать изменения поля примерно в миллиард раз слабее естественного земного фона. Разработчики считают, что технология может применяться при поиске тёмной материи, изучении магнитной активности мозга и высокоточных физических экспериментах.
Устройство получило название LeMaMa — Levitated Magnet Magnetometer, или магнитометр с левитирующим магнитом. Его разработала группа исследователей Пекинского университета совместно с физиками Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце и других научных центров.
В основе LeMaMa находится крошечный ферромагнитный чувствительный элемент размером всего несколько сотен микрометров. В обычном компасе магнитная стрелка закреплена на оси, а трение и механические колебания ограничивают точность измерений. Здесь исследователи фактически убрали саму опору: магнит свободно висит в пространстве, поэтому механические потери становятся чрезвычайно малы.
Создать такую систему оказалось непросто. Два магнита могут уравновесить силу тяжести, но такое равновесие само по себе неустойчиво: малейшее смещение способно заставить чувствительный элемент перевернуться или вылететь из нужного положения. Один из авторов работы Вэй Цзи сравнил эту задачу с попыткой поставить яйцо вертикально на идеально гладкий стол.
Чтобы стабилизировать магнит, исследователи добавили специально подобранный диамагнитный материал. В отличие от обычных магнитных материалов, он слабо выталкивается из области сильного магнитного поля. Сочетание притяжения со стороны второго магнита, силы тяжести и диамагнитного отталкивания создаёт устойчивое положение, в котором чувствительный элемент остаётся подвешенным без механической опоры.
Когда внешнее магнитное поле меняется, левитирующий магнит слегка поворачивается. Исследователи регистрируют это движение оптически с помощью высокостабильной системы считывания и по величине отклонения определяют изменение внешнего поля. Таким образом, парящий магнит фактически работает как сверхчувствительная стрелка компаса, не соприкасающаяся с осью или подвесом.
В эксперименте LeMaMa достиг чувствительности 32 фемтотесла на √Гц. Один фемтотесла составляет 10⁻¹⁵ тесла. Прибор смог работать при милли тесловом фоновом поле, то есть не требовал почти полного устранения окружающего магнитного поля для регистрации чрезвычайно слабых изменений.
Это отличает разработку от двух наиболее распространённых технологий сверхчувствительной магнитометрии. Магнитометры SQUID способны регистрировать очень слабые поля, но используют сверхпроводимость и требуют криогенного охлаждения. Высокочувствительные атомные магнитометры также достигают фемтотеслового диапазона, однако для некоторых режимов им необходимы нагретые атомные пары и тщательно контролируемое магнитное окружение.
LeMaMa демонстрирует сравнимую чувствительность, одновременно работая при комнатной температуре и в присутствии естественного магнитного фона Земли. Авторы считают именно это сочетание одной из главных особенностей новой технологии.
Малый размер чувствительного элемента даёт ещё одно преимущество. Датчик можно разместить очень близко к исследуемому объекту, что потенциально позволяет получать магнитные изображения с высоким пространственным разрешением и регистрировать локальные поля, которые быстро ослабевают с расстоянием.
Одним из наиболее необычных направлений применения нового магнитометра может стать поиск тёмной материи. Некоторые гипотетические частицы, например аксионоподобная тёмная материя или тёмные фотоны, способны проявляться как чрезвычайно слабые реальные или эффективные магнитные поля. Поэтому высокоточная магнитометрия рассматривается как один из способов поиска физики за пределами Стандартной модели.
Вэй Цзи сообщил китайским СМИ, что команда уже использовала LeMaMa в экспериментах по поиску аксионной тёмной материи и в определённом диапазоне масс получила чувствительность, превосходящую предыдущие ограничения на несколько порядков. Эти результаты относятся к отдельному направлению исследований группы и не являются основным результатом опубликованной в Science статьи о самом магнитометре.
Другим потенциальным применением является регистрация магнитных сигналов мозга. Электрическая активность нейронов создаёт чрезвычайно слабые магнитные поля, для измерения которых сегодня обычно требуется дорогостоящее специализированное оборудование. Компактный датчик, работающий при комнатной температуре, теоретически может помочь создавать новые методы нейромагнитных измерений, хотя полноценная система сканирования мозга на основе LeMaMa пока не продемонстрирована.
Кроме фундаментальной физики и нейробиологии, разработчики рассматривают применение технологии в высокоточной магнитной съёмке, химии и геофизике. Возможность работать без криогенного охлаждения и сложного экранирования потенциально упрощает создание компактных приборов для измерений вне специализированных лабораторий.
Пока LeMaMa остаётся экспериментальной платформой, а не готовым коммерческим датчиком. Следующим этапом станет дальнейшее снижение шумов, совершенствование стабильности системы и проверка прибора в конкретных практических задачах. Однако уже достигнутая чувствительность показывает, что крошечный магнит, практически свободный от механического трения, способен конкурировать с некоторыми из наиболее чувствительных современных магнитометров.
Исследование в журнале Science.