Датчики квантового масштаба используются для измерения магнитных полей планетарного масштаба

Магнитные поля повсюду в нашей Солнечной системе. Они исходят от Солнца, планет и лун и разносятся по межпланетному пространству солнечным ветром. Именно поэтому магнитометры — приборы, используемые для измерения магнитных полей, — летают почти во всех космических миссиях, чтобы принести пользу научным сообществам, изучающим Землю, планеты и гелиофизику, и в конечном итоге обогатить знания для всего человечества.

Эти приборы могут дистанционно исследовать внутреннюю часть планетарного тела, чтобы получить представление о его внутреннем составе, структуре, динамике и даже эволюции на основе магнитной истории, застывшей в слоях коры тела.

Магнитометры могут даже обнаружить скрытые океаны в пределах нашей Солнечной системы и помочь определить их соленость, тем самым давая представление о потенциальной обитаемости этих ледяных миров.

Флюксгаты являются наиболее широко используемыми магнитометрами для космических миссий благодаря их проверенной производительности и простоте. Однако традиционные размеры, вес и мощность (SWaP) флюксгейтовых приборов не позволяют использовать их на небольших платформах типа CubeSats и иногда ограничивают количество датчиков, которые могут быть использованы на космическом аппарате для межсенсорной калибровки, резервирования и удаления магнитного поля космического аппарата.

Традиционно используется длинная штанга для удаления флюксгейтовых магнитометров от загрязняющего магнитного поля, создаваемого самим космическим аппаратом, и по крайней мере два датчика используются для определения характеристик спада вклада этого поля, чтобы его можно было удалить из измерений. Кроме того, флюксгейты не обеспечивают абсолютных измерений, а это значит, что их необходимо регулярно калибровать в космосе с помощью кренов космического аппарата, что может потребовать много времени и ресурсов.

Команда Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии совместно с Исследовательским центром НАСА имени Гленна в Кливленде, штат Огайо, разработала прототип нового магнитометра под названием магнитометр из карбида кремния (SiC), или SiCMag, который может изменить способ измерения магнитных полей в космосе.

В SiCMag используется твердотельный датчик, изготовленный из полупроводника карбида кремния (SiC). Внутри SiC-сенсора находятся квантовые центры — намеренно введенные дефекты или неоднородности в атомном масштабе, которые приводят к появлению сигнала магнитосопротивления, который можно обнаружить, отслеживая изменения в электрическом токе сенсора, которые указывают на изменения силы и направления внешнего магнитного поля.

Эта новая технология обладает невероятной чувствительностью и благодаря большому зазору (т.е. энергии, необходимой для освобождения электрона из связанного состояния, чтобы он мог участвовать в электрической проводимости) способна работать в широком диапазоне экстремальных температур и жестких радиационных условий, обычно встречающихся в космосе.

Член команды Дэвид Спри из НАСА Гленн отмечает: «Материал SiC не только отлично подходит для определения магнитного поля, но и в НАСА Гленн мы продолжаем разрабатывать надежную электронику на основе SiC, которая будет работать в горячих средах, выходящих далеко за пределы верхних температурных ограничений кремниевой электроники. Эти технологии на основе SiC когда-нибудь позволят проводить длительные роботизированные научные исследования поверхности Венеры с температурой 460°C».

SiCMag также очень мал: площадь датчика составляет всего 0,1 x 0,1 мм, а компенсационные катушки меньше копейки. Следовательно, десятки датчиков SiCMag могут быть легко установлены на космическом аппарате для лучшего удаления сложного загрязняющего магнитного поля, создаваемого космическим аппаратом, что уменьшает необходимость в длинной штанге для удаления датчиков от космического аппарата, как это реализовано на большинстве космических аппаратов, включая Psyche (см. рисунок ниже).

SiCMag имеет ряд преимуществ по сравнению с флюксгейтами и другими типами магнитометров наследия, включая те, которые основаны на оптической накачке атомного пара. SiCMag — это простой прибор, который не зависит от оптики или высокочастотных компонентов, чувствительных к колебаниям температуры.

Низкий SWaP SiCMag также позволяет размещать его на небольших платформах, таких как CubeSats, обеспечивая одновременные пространственные и временные измерения магнитного поля, которые невозможны с помощью отдельных крупномасштабных космических аппаратов. Эта возможность позволит проводить картографирование планетарного магнитного поля и мониторинг космической погоды с помощью созвездий CubeSat.

Мультиплатформенные измерения также будут очень ценны на поверхности Луны и Марса для картирования магнитного поля коры, определения состава и изучения магнитной истории этих тел.

SiCMag обладает истинной способностью магнитного зондирования в нулевом поле (т.е. SiCMag может измерять очень слабые магнитные поля), что недостижимо для большинства обычных атомно-паровых магнитометров из-за минимального магнитного поля, необходимого для работы датчика. А поскольку электроны, несущие спин, в SiCMag связаны с квантовыми центрами, они не смогут покинуть датчик, что означает, что он хорошо подходит для путешествий к ледяным гигантам или к краям гелиосферы, длящихся десятилетиями.

Эта возможность также является преимуществом оптического эквивалента SiCMag, OPuS-MAGNM, твердотельного квантового магнитометра с оптической накачкой, разработанного Ханнесом Краусом и усовершенствованного Андреасом Готтшоллом из группы твердотельной магнитометрии JPL. Преимущество SiCMag в том, что он чрезвычайно прост, в то время как OPuS-MAGNM обещает более низкие шумовые характеристики, но использует сложные оптические компоненты.

По словам доктора Андреаса Готтшолла, «SiCMag и OPuS-MAGNM на самом деле очень похожи. Прогресс в одной сенсорной системе напрямую приводит к преимуществам в другой. Поэтому усовершенствования в конструкции и электронике способствуют развитию обоих проектов, фактически удваивая отдачу от наших усилий при сохранении гибкости для различных приложений».

SiCMag обладает способностью к самокалибровке благодаря возможности абсолютного зондирования, что является значительным преимуществом в условиях удаленного космоса. SiCMag использует спектроскопическую технику калибровки, которую также применяют атомные паровые магнитометры, называемую магнитным резонансом (в случае SiCMag магнитный резонанс определяется электрически), для измерения частоты прецессии электронов, связанных с квантовыми центрами, которая напрямую зависит от магнитного поля, в которое погружен датчик.

Эта связь является фундаментальной физической константой в природе, которая не меняется в зависимости от времени или температуры, что делает отклик идеальным для калибровки измерений датчика.

«Если нам удастся достичь ожидаемого улучшения чувствительности, используя изотопически более чистые материалы, SiC может изменить способ магнитометрии, обычно применяемый в космосе, благодаря привлекательному SWaP, надежности и способности к самокалибровке», — говорит доктор Кори Кокрейн (Corey Cochrane), главный исследователь технологии SiCMag из JPL.

С 2016 года НАСА финансирует исследования твердотельного квантового магнитометрического датчика в рамках программы PICASSO (Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations).

Исследования также поддерживают различные отечественные партнеры из промышленных и научных кругов, включая Исследовательский центр Гленна НАСА в Кливленде, Университет штата Пенсильвания, Университет Айовы, QuantCAD LLC, а также международные партнеры, такие как японский Исследовательский центр квантовых материалов и приложений (QUARC) и Infineon Technologies.