Квантовый прибор на МКС измерил магнитное поле Земли с помощью крошечных алмазов
Исследователи из Бельгии успешно использовали крошечные дефекты в алмазной решётке для измерения магнитного поля Земли прямо на борту Международной космической станции (МКС). Разработанное ими устройство под названием OSCAR-QUBE по размерам не превышает десяти сантиметров, а его сердце — алмаз величиной с чечевицу — способен улавливать мельчайшие изменения магнитного поля благодаря особым квантовым дефектам.
Эксперимент продолжался десять месяцев в 2021–2022 годах и доказал, что квантовые магнитометры могут надёжно работать в космосе. Это открывает путь к созданию небольших спутников, которые будут картографировать земное магнитное поле гораздо дешевле традиционных крупных аппаратов. В отличие от обычных спутников, запуск которых требует огромных затрат, компактные квантовые датчики обеспечивают высокую чувствительность и стабильность при малых габаритах.
Секрет устройства — так называемые NV-центры в алмазе. Это дефекты кристаллической решётки, где один атом углерода отсутствует, а соседний замещён атомом азота. Такие структуры ведут себя как крошечные квантовые системы: их энергетические уровни смещаются под действием магнитного поля. Учёные освещали алмаз лазером и облучали микроволнами, регистрируя изменения в испускаемом свете. По этим изменениям они определяли напряжённость магнитного поля Земли и даже смогли нанести на карту его пространственные различия.
«Магнитное поле Земли очень увлекательно измерять, потому что оно содержит огромное количество информации», — пояснил ведущий автор исследования Ярослав Груби из Университета Хассселта.
Пока что OSCAR-QUBE не превзошёл по характеристикам самые современные обычные магнитометры, но главное — технология подтвердила свою работоспособность в реальных космических условиях. Кроме того, измерения проводились внутри МКС, где оборудование станции создавало магнитные помехи. В следующей миссии прибор разместят снаружи, что позволит получать более чистые данные.
Точное картографирование магнитного поля Земли важно не только для фундаментальной науки — например, чтобы понять, почему поле постепенно ослабевает уже около двухсот лет, — но и для практических задач, таких как навигация в условиях отсутствия GPS-сигнала. По мере совершенствования квантовые магнитометры могут стать стандартной частью небольших спутниковых группировок, обеспечивая высокоточные данные при низкой стоимости запуска.
