دستیابی به اندازه‌گیری میدان مغناطیسی با دقت بالا با استفاده از حسگرهای مبتنی بر اتم
پژوهشگران دانشگاه کلرادو بولدر (CU Boulder) به پیشرفت مهمی در اندازه‌گیری میدان مغناطیسی دست یافته‌اند.
آنها یک تکنیک جدید توسعه داده‌اند که از اتم‌ها به عنوان قطب‌نماهای بسیار دقیق استفاده می‌کند و پتانسیل تحول در فناوری حسگرهای کوانتومی را دارد.
تحقیقات آنها نشان‌دهنده قابلیت‌های اتم‌های به دام افتاده در بخار است. این اتم‌ها می‌توانند همزمان تغییرات جزئی در قدرت و جهت میدان‌های مغناطیسی را اندازه‌گیری کنند. این قابلیت ترکیبی برای بسیاری از کاربردها ضروری است.
“اتم‌ها می‌توانند اطلاعات زیادی بدهند،” سیندی رگال، استاد فیزیک و همکار JILA می‌گوید.
“ما در جستجوی داده هستیم که به صورت همزمان نشان دهیم آیا میدان‌های مغناطیسی با مقادیر بسیار کوچک تغییر می‌کنند و چه جهتی دارند.”
چالش‌های اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی
میدان‌های مغناطیسی همه جا حاضر هستند. آنها توسط هسته زمین تولید می‌شوند و همچنین توسط فعالیت الکتریکی مغز انسان.
با این حال، اندازه‌گیری دقیق جهت این میدان‌ها چالش‌برانگیز است. این به ویژه برای حسگرهای اتمی صادق است.
فناوری‌های فعلی مانند مغناطیسم‌سنج‌های اپتیکی پمپ‌شده (OPMs) قادر به اندازه‌گیری قدرت میدان هستند. اما تعیین جهت، به‌خصوص در محیط‌های غیرمحافظ، یک مانع قابل توجه است.
روش‌های کالیبراسیون سنتی که از سیم‌پیچ‌های فلزی استفاده می‌کنند نیز محدودیت‌هایی دارند. این سیم‌پیچ‌ها در معرض تخریب و تحریف هستند که می‌تواند دقت را به خطر بیاندازد.
استفاده از آنتن مایکروویو به عنوان مرجع
تیم CU Boulder از یک محفظه کوچک شامل میلیاردها اتم روبیدیوم در حالت بخار استفاده کرد. زمانی که میدان مغناطیسی اعمال می‌شود، اتم‌ها تغییرات انرژی را تجربه می‌کنند. پژوهشگران با استفاده از یک لیزر این تغییرات را با دقت اندازه‌گیری کردند. این به آنها کمک کرد جهت میدان را تعیین کنند.
“می‌توانید هر اتم را به عنوان سوزن یک قطب‌نما تصور کنید،” داوسون هیووات، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه رگال در JILA توضیح می‌دهد.
“و ما یک میلیارد سوزن قطب‌نما داریم که می‌تواند به ساخت دستگاه‌های اندازه‌گیری بسیار دقیق کمک کند.”
یک نوآوری کلیدی در روش آنها استفاده از آنتن مایکروویو به عنوان مرجع است که از پایداری ذاتی اتم‌ها برای حفظ کالیبراسیون در طول زمان استفاده می‌کند.
“اگر یکی از اتم‌های تیم را با یک سیگنال مایکروویو تحریک کنید، ساختار داخلی آن به نوعی تغییر می‌کند که می‌تواند به فیزیک‌دانان اطلاعات زیادی بدهد.”
“در نهایت، می‌توانیم این تغییرات را استخراج کنیم که به ما اطلاعاتی درباره قدرت انتقالات انرژی اتم‌ها می‌دهد و سپس به ما درباره جهت میدان مغناطیسی می‌گوید.” رگال اضافه کرد.
این روش مشکلات مرتبط با تکنیک‌های کالیبراسیون سنتی را از بین می‌برد. “اتم‌ها همیشه یکسان هستند،” رگال می‌گوید. این ویژگی اساسی آنها را برای برنامه‌های سنجش پیشرفته بسیار مناسب می‌سازد.
دقت و کاربردهای احتمالی
این تیم در آزمایش‌های خود به دقت بالایی دست یافتند. آنها توانستند جهت یک میدان مغناطیسی را با دقت تقریبی یک صدم درجه تعیین کنند.
اگرچه نیاز به بهبود بیشتر وجود دارد، ولی کاربردهای احتمالی آن قابل توجه است. پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که این قطب‌نماهای اتمی می‌توانند برای تصویربرداری مغزی و حتی اهداف هدایت به کار بروند، علاوه بر بسیاری از کاربردهای دیگر.
“اکنون سوال این است: 'چقدر می‌توانیم این سیستم‌های اتمی را به جلو برانیم؟'” اسونجا کنابه، استاد پژوهشی در دپارتمان مهندسی مکانیک پول م. ردی نتیجه‌گیری می‌کند.
