GPS работает уже двадцать лет, но уже показывает признаки усталости. Достаточно высокого здания, туннеля, нескольких километров под водой, и сигнал исчезает. Не говоря уже о том, когда кто-то решает намеренно его нарушить. Исследователи из Институт Фраунгофера придумали элегантную альтернативу: превратить изъяны в синтетических алмазах в сверхточные квантовые датчики. Их магнитометр считывает изменения в магнитном поле Земли как невидимую карту. И это действительно работает: везде, даже на глубине 1300 метров под землей.
Несовершенный алмаз, который измеряет все
Технология основана на том, что физики называют центрами азотных вакансий (NV). По сути, когда атом углерода в кристаллической решетке алмаза заменяется атомом азота, создается «дефект», обладающий необычными квантовыми свойствами. Майкл Стоебе, руководитель отдела квантовых устройств в Институте Фраунгофера, объясняет:
«Эти NV-центры функционируют как самые маленькие из существующих сканирующих магнитов, способные точно измерять векторные компоненты магнитного поля Земли».
Исследователям удалось уменьшить размер магнитометра в 30 раз всего за год. Сегодня датчик сопоставим по размеру с традиционными оптическими магнитометрами, используемыми в промышленности, но сохраняет чувствительность в пикотеслах. Цель на следующий год — еще больше уменьшить размер в 5 раз, достигнув субпикотесла чувствительности. В этот момент «старый» GPS будет обречен.
Как работает магнитная навигация с алмазным магнитометром
Магнитное поле Земли, как вы знаете, неоднородно. Оно имеет отличительные региональные вариации, которые можно нанести на карту с чрезвычайной точностью. Эти магнитные «отпечатки пальцев» становятся навигационными ориентирами. Как доказано в подводных испытаниях Квантовый магнитометр, работающий в Южно-Китайском море на глубине 1300 метров, обеспечивает точность навигации в пределах 5 градусов по сравнению с традиционными системами.
Технология предлагает решающие преимущества по сравнению с GPS: она работает под землей, под водой, внутри зданий и в любой среде, куда не проникают спутниковые сигналы. Ее невозможно нарушить или взломать, поскольку она полностью пассивна. Михаэль Кунцер, руководитель проекта в Fraunhofer, подчеркивает прикладной подход:
«Мы реагируем на индивидуальные требования наших систем, разрабатывая датчики с опциональным водяным охлаждением для стабильных измерений даже в сложных условиях эксплуатации».
Из лаборатории в реальный мир
Путь от исследований к практическому применению стремительно ускоряется. Синтетические алмазы выращиваются в специализированных реакторах института, где атомы углерода точно заменяются атомами азота. В настоящее время производятся сверхчистые алмазные «пластины»; с запланированными улучшениями промышленное производство может начаться в следующем году.
Военный интерес очевиден: Frequency Electronics получила контракт от Leidos по разработке магнитометров NV для навигации в условиях «GPS-отрицания». Но гражданские приложения, которые я лично предпочитаю, столь же многообещающи.
Геологическая съемка без бурения
Квантовый магнитометр открывает новые возможности для геологической разведки. Он позволяет точное и бесконтактное определение местонахождения подземных месторождений полезных ископаемых, предоставляя доступ к ценным ресурсам. Он также может обнаружить неразорвавшиеся боеприпасы на больших территориях, что значительно снижает риски для людей в пострадавших районах.
Собранные данные преобразуются в магнитные карты, которые показывают местоположение подозрительных объектов, предоставляя информацию о глубине, форме и размере. Этот метод позволяет проводить полное и неинвазивное исследование интересующих областей, обнаруживая даже глубоко зарытые объекты.
Алмазный магнитометр, будущее, которое вернет нас домой
Как мы уже говорили вам в этой статье, квантовые технологии демонстрируют все более конкретные применения. Алмазный магнитометр представляет собой важный шаг к независимости от спутников, предлагая надежную навигацию в любых условиях окружающей среды.
В следующий раз, когда вы потеряете сигнал GPS, подумайте о несовершенных бриллиантах: вскоре они могут стать вашим проводником домой.
