Исследователи разработали прецизионный магнитометр на основе специального материала, который изменяет оптические свойства в ответ на магнитное поле. Устройство, интегрированное на чип, может найти применение в космических миссиях, навигации и биомедицине.
Современные магнитометры требуют крайне низких температур или громоздкого оборудования
Высокоточные магнитометры используются для измерения силы и направления магнитных полей в различных приложениях. Однако многие современные магнитометры должны работать при экстремально низких температурах, близких к 0 кельвинам, или требуют относительно больших и тяжёлых устройств, что значительно ограничивает их практичность.
«Наше устройство работает при комнатной температуре и может быть полностью интегрировано на чип», — сказал Паоло Пинтус из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре (UCSB) и Университета Кальяри, Италия, со-главный исследователь проекта. «Малый вес и низкое энергопотребление этого магнитометра делают его идеальным для использования на малых спутниках, где он может позволить изучение магнитных областей вокруг планет или помочь в характеристике инородных металлических объектов в космосе».
Описание нового магнитометра
В журнале Optica исследовательская группа под руководством Галана Муди из UCSB, при участии Кэролайн А. Росс из Массачусетского технологического института, описывает свой новый магнитометр. Они показывают, что устройство может достичь чувствительности, сравнимой с другими высокопроизводительными, но менее практичными магнитометрами.
«Магнитометр может быть полезен для магнитной навигации, обеспечивая альтернативный источник навигации в средах, где GPS заглушён, подделан или недоступен, например, под водой, в туннелях или во время электронной войны», — сказал Пинтус. «Он также может найти применение в методах медицинской визуализации, таких как магнитокардиография и магнитоэнцефалография, которые в настоящее время зависят от высокочувствительных магнитометров, требующих громоздкого и дорогостоящего оборудования».
Новый магнитометр был разработан в рамках программы Национального научного фонда США «Quantum Sensing Challenges for Transformational Advances in Quantum Systems». Он основан на предыдущих работах, в которых исследователи использовали магнитооптические материалы для разработки магнитооптического модулятора и интегрированных магнитооптических запоминающих устройств для фотонных вычислений в памяти.
Для нового устройства исследователи использовали магнитооптический материал под названием церий-легированный иттрий-железный гранат (Ce:YIG), предоставленный Юя Шоджи из Института науки в Токио. Когда присутствует внешнее магнитное поле, свет, проходящий через Ce:YIG, испытывает фазовый сдвиг, который можно обнаружить с помощью оптического интерферометра.
Оптические интерферометры работают путём разделения света на два пути и последующего их объединения. Поместив магнитооптический материал на один из путей, исследователи смогли измерить, становится ли свет в этом пути ярче или тусклее, что затем использовалось для определения силы магнитного поля.
Чтобы сделать магнитометр практичным, исследователи создали его на основе кремниевой фотоники — технологии, которая создаёт крошечные оптические устройства с использованием того же кремния, который используется в микрочипах. Это позволило им создать устройство с минимальными размерами, весом и энергопотреблением, которое можно интегрировать с другими оптическими компонентами на чипе, такими как лазеры и фотодетекторы.
«Исторически магнитооптические материалы использовались почти исключительно в оптических изоляторах и циркуляторах, специализированном классе устройств, обеспечивающих однонаправленное распространение света», — сказал Пинтус. «Включив магнитооптические материалы непосредственно в фотонную интегральную схему, мы расширяем диапазон интегрированных фотонных компонентов и внедряем функциональные возможности, основанные на их уникальных свойствах».
Магнитометр работает с обычным лазерным излучением, но авторы показали, что внедрение квантового света может улучшить его производительность. «Идея аналогична тому, что уже сделано в крупных оптических интерферометрах, используемых для обнаружения гравитационных волн, таких как LIGO», — объяснил Пинтус. «Используя сжатый свет — особое квантовое состояние света — мы можем уменьшить шум и повысить чувствительность прибора».
Используя комбинацию мультифизического моделирования и экспериментальных измерений, исследователи показали, что устройство может обнаруживать магнитные поля в диапазоне от нескольких десятков пикотесла до 4 миллитесла. Для сравнения, магнитное поле Земли примерно в 100 000 раз сильнее минимального обнаруживаемого поля, но примерно в 1000 раз слабее максимального поля, которое может измерить прибор. Эта чувствительность соответствует чувствительности высокопроизводительных криогенных магнитометров, но без их ограничивающих температурных, размерных, весовых или энергетических ограничений.
«Это исследовательское усилие объединило специалистов по моделированию и изготовлению интегрированных оптических устройств, материаловедению и квантовому моделированию взаимодействий свет–вещество», — сказал Пинтус. «Синергия между этими дисциплинами позволила нам продемонстрировать высокопроизводительное устройство с возможностями, которые невозможно было бы достичь в рамках какой-либо одной области».
Теперь, когда исследователи сделали важный шаг к демонстрации осуществимости своего подхода, они работают над повышением производительности, исследуя альтернативные магнитооптические материалы и интегрируя квантовые элементы для ещё большей чувствительности. Они отмечают, что для перехода исследований в коммерческий продукт потребуется сложная задача создания полностью интегрированной системы на основе чипа, включающей другие ключевые компоненты, такие как встроенный лазер и фотодетектор.
Optica, the research team, led by Galan Moody of UCSB, with Caroline A. Ross of MIT, also serving as a co-principal investigator, describe their new magnetometer. They show that the device can achieve a sensitivity comparable to that of other high-performance, but less practical, magnetometers.»,»\»The magnetometer could be useful for magnetic navigation, providing an alternative navigation source in environments where GPS is jammed, spoofed or unavailable, such as underwater, in tunnels or during electronic warfare,\» said Pintus. \»It could also benefit medical imaging methods such as magnetocardiography and magnetoencephalography, which currently depend on highly sensitive magnetometers that require bulky, costly equipment.\»»,»The new magnetometer was developed as part of the U.S. National Science Foundation’s Quantum Sensing Challenges for Transformational Advances in Quantum Systems program. It builds on previous works in which the researchers used magneto-optic materials to develop a magneto-optic modulator and integrated magneto-optic memories for photonic in-memory computing.»,»For the new device, the researchers used a magneto-optical material called cerium-doped yttrium iron garnet (Ce:YIG), which was provided by Yuya Shoji from the Institute of Science, Tokyo. When an external magnetic field is present, light propagating through Ce:YIG experiences a phase shift that can be detected with an optical interferometer.»,»Optical interferometers work by splitting light into two paths and then recombining those paths. By placing the magneto-optic material in one of the paths, the researchers were able to measure whether the light in that path becomes brighter or dimmer, which was then used to determine the strength of the magnetic field.»,»To make the magnetometer practical, the researchers built it on silicon photonics, a technology that creates tiny optical devices using the same silicon found in microchips. This allowed them to create a device with minimal size, weight and power consumption that can be integrated with other chip-based optical components such as lasers and photodetectors.»,»\»Historically, magneto-optic materials have been used almost exclusively in optical isolators and circulators, a specialized class of devices that enforce unidirectional light propagation,\» said Pintus. \»By incorporating magneto-optic materials directly onto a photonic integrated circuit, we expand the range of integrated photonic components and introduce functionalities that stem from their unique properties.\»»,»The magnetometer operates with ordinary laser light, but the authors have shown that injecting quantum light can improve its performance. \»The idea is similar to what’s already done in large optical interferometers used to detect gravitational waves, like LIGO,\» explained Pintus. \»By using squeezed light—a special quantum state of light—we can reduce noise and increase the instrument’s sensitivity.\»»,»Using a combination of multi-physics simulations and experimental measurements, the researchers showed that the device can detect magnetic fields ranging from a few tens of picotesla to 4 millitesla. For comparison, Earth’s magnetic field is about 100,000 times stronger than the minimum detectable field, yet around 1,000 times weaker than the maximum field the instrument can measure. This sensitivity matches that of high-performance cryogenic magnetometers, without their restrictive temperature, size, weight or power constraints.»,»\»This research effort brought together specialists in modeling and fabrication of integrated optical devices, material science and quantum-level modeling of light–matter interactions,\» said Pintus. \»The synergy among these disciplines enabled us to demonstrate a high-performance device with capabilities that would not be attainable through any single field alone.\»»,»Now that the researchers have taken an important step toward demonstrating the feasibility of their approach, they are working to improve performance by exploring alternative magneto-optic materials and integrating quantum elements for even greater sensitivity. They note that transitioning the research into a commercial product would require the challenging task of creating a fully integrated chip-based system that includes other key components, such as an integrated laser and photodetector.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tOptica\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник