Фраунгоферовский институт прикладной физики твёрдого тела (IAF) создал миниатюрный векторный магнитометр на основе азотных вакансий (NV) в алмазе. Этот прибор измеряет слабейшие магнитные поля с невиданной точностью и гибкостью. Он открывает новые возможности там, где важны минимальные помехи — например, в исследованиях нервных импульсов или микроэлектронике.

Азотная вакансия (NV-центр) — дефект в алмазе, где один атом углерода заменён на азот, а соседний атом отсутствует. Это создаёт «ловушку» для электронов, которая реагирует на магнитные поля, позволяя их измерять с высочайшей точностью.

Главное преимущество нашего датчика — он интуитивно и точно определяет векторные компоненты магнитного поля Земли почти в любых условиях. Это не просто прорыв в технологиях, а новый этап в развитии сенсоров, — говорит доктор Михаэль Штёбе, руководитель направления квантовых устройств Fraunhofer IAF.

NV-центры в алмазной решетке (расположены вдоль четырех кристаллических осей) позволяют одним чипом измерять все компоненты магнитного поля.

Это снижает потребность в калибровке и расширяет сферу применения там, где обычные магнитометры бесполезны.

Миниатюризация без потерь

За год учёные уменьшили датчик в 30 раз. Теперь он сравним по размерам с промышленными оптически-насосными магнитометрами (OPM), но при этом сохраняет чувствительность в пикотесла-диапазоне.

Алмазная технология выигрывает за счёт прочности, широкого диапазона измерений и почти полного отсутствия калибровки.

Мы хотим сделать датчик ещё меньше и чувствительнее — в 5 раз компактнее и с выходом в субпикотесла-диапазон, — поясняет Штёбе.

Особенности системы:

• Опциональное водяное охлаждение для работы в экстремальных условиях.
• Возможность адаптации под конкретные задачи.

Сердце прибора — алмаз с NV-центрами. Его выращивают в реакторах института, заменяя часть атомов углерода на азот. Сейчас используют 2-дюймовые пластины, но скоро перейдут на 4-дюймовые для массового производства.

Навигация без GPS

Спутниковые системы уязвимы для помех. Альтернатива — карты магнитного поля Земли: его аномалии уникальны для разных регионов.

Датчик Fraunhofer IAF строит такие карты и позволяет ориентироваться там, где GPS не работает: под водой, в тоннелях, глубоких каньонах.

Поиск ресурсов и опасных объектов

Прибор находит месторождения полезных ископаемых и неразорвавшиеся боеприпасы без контакта с поверхностью. Он фиксирует малейшие отклонения в магнитном поле, анализирует глубину, размер и форму объектов, создавая детальные карты.

Этот магнитометр полезен везде, где важна точность и устойчивость к помехам:

• Медицина — исследования мозга и нервной системы без искажений.
• Геологоразведка — быстрый поиск руд или археологических артефактов.
• Военная сфера — обнаружение мин и подлодок.
• Промышленность — контроль качества микросхем.

Главный плюс — автономность. Если GPS заглушат, навигация останется.

Недостаток — зависимость от качества алмаза. Дефекты кристалла снижают точность. Пока производство NV-алмазов дорого, и 4-дюймовые пластины — лишь планы. Также неясно, как поведёт себя датчик в условиях сильных вибраций (например, на борту самолёта).

Ранее стало известно, что в НИЯУ МИФИ создают центр алмазных технологий.