Левитирующий магнит может обнаруживать сверхслабую активность мозга и даже искать темную материю

Левитирующий магнитометр в действии: лазерный луч отслеживает движения крошечного магнита, подвешенного в вакуумной камере, который колеблется в ответ на воздействие магнитных полей.

Самые точные современные магнитометры требуют экстремальных условий работы. Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID) функционируют только при температурах, близких к абсолютному нулю, что требует сложных криогенных систем. Другой передовой прибор — SERF-магнитометр — нуждается в практически идеальной защите от внешних магнитных помех. Оба этих требования усложняют конструкцию прибора и увеличивают расстояние между образцом и детектором.

Левитирующий магнитометр сокращает это расстояние до нескольких сотен микрометров. По сути, это исключительно чувствительная стрелка компаса размером менее миллиметра. Вэй Цзи, физик из Пекинского университета, вместе с коллегами подвесил сенсорный магнит между «подъемным» магнитом над ним и диамагнетиком снизу. Диамагнетик — это материал, который генерирует собственное противоположное магнитное поле в ответ на поле подъемного магнита, выталкивая сенсор вверх и стабилизируя его положение.

Лазер отражает свет от парящего магнита на детектор, фиксируя малейшие изменения его ориентации при приближении образца. Вся конструкция помещена в вакуумную камеру размером примерно с пищевой контейнер.

Достижение такой точности потребовало тщательной комбинации методов подавления шума. Магнитные катушки и демпфирующие системы снижают помехи от блуждающих магнитных полей и механических вибраций. «Когда вы работаете на уровне фемтотесла, даже тонкая алюминиевая фольга может создать шум в 100 фемтотесла», — объясняет Цзи. Для сравнения: поле в 1 фемтотесла в десять миллиардов раз слабее магнитного поля Земли.

Инновационный магнитометр можно использовать не только в медицине и биологии, но и, например, для поиска частиц темной материи.

«Устройство достигает впечатляющей чувствительности, учитывая простоту системы, — отмечает Перан Инь, физик из Нанкинского университета. — Это замечательно продуманный и систематический экспериментальный дизайн, полностью изолированный от внешнего шума».

Технология может найти применение в биологии, например, для регистрации магнитных полей, создаваемых мозгом или сердцем. Помимо медицинских приложений, исследователи надеются использовать устройство в поиске темной материи — загадочной массы, которая удерживает галактики от распада, но которую до сих пор не удавалось зарегистрировать ни одним из существующих приборов. Согласно некоторым теориям, темная материя может состоять из гипотетических частиц — так называемых аксионов, которые можно было бы обнаружить по слабому магнитному полю.

Ученые развивают технологии левитации для решения фундаментальных физических проблем, включая изучение природы гравитации, и новый магнитометр открывает перед ними дополнительные возможности.

Ранее ученые напечатали на 3D-принтере один из самых твердых металлов на Земле.