Квантові алмазні магнітометри: навігація без GNSS і стійкість до глушіння
Супутникові системи навігації точні, але вразливі до завад і не завжди доступні. Альтернатива — орієнтація за земним магнітним полем, яке має регіональні відмінності й може слугувати “невидимою мапою” там, де GNSS недосяжна або пригнічена: під водою, у каньйонах, під землею, у будівлях і тунелях. Саме тут на перший план виходять квантові магнітометри на алмазах з вакансіями азоту (NV), над якими паралельно працюють Fraunhofer IAF у Європі та Leidos у США.
Fraunhofer IAF представив оновлену версію свого компактного інтегрованого квантового магнітометра на виставці World of Quantum у Мюнхені, повідомляє GPS World. Система на алмазній платформі вирізняється міцністю, високою щільністю інтеграції та чутливістю, забезпечуючи доступ до надзвичайно слабких магнітних полів із гнучкістю та точністю, недосяжними раніше. Це відкриває шлях як до автономної навігації, так і до застосувань, що потребують максимально “чистих” вимірювань, зокрема у біохімії (дослідження нервових шляхів) та мікроелектроніці.
У Fraunhofer пояснюють, що природна векторна “чутливість” NV-центрів в алмазній ґратці, орієнтованій уздовж чотирьох кристалографічних осей, дає змогу на одному чипі з алмазом орієнтації <100> визначати всі компоненти вектора магнітного поля. Це істотно зменшує зусилля на калібрування та знімає низку обмежень традиційних магнітометрів. За рік інженери скоротили габарити інтегрованого приладу у 30 разів: сенсорна головка вже співмірна з промисловими оптично накачуваними газовими магнітометрами (OPM), а чутливість досягає піко-теслового діапазону. Система вирізняється робастністю та широким робочим діапазоном, завдяки чому її можна гнучко вбудовувати у різні вимірювальні сценарії з мінімальною потребою в калібруванні. Наступний етап — ще п’ятикратне зменшення габаритів і вихід на субпіко-теслову чутливість. Додатковою опцією є водяне охолодження для стабільної роботи в складних умовах. Паралельно вдосконалюють сам сенсорний вузол: синтетичний ультрачистий алмаз вирощують у спеціальних реакторах і шляхом контрольованої заміни атомів вуглецю на атоми азоту формують NV-центри. Заплановано перехід від підкладок діаметром 2 дюйми до промислово масштабованих 4-дюймових пластин уже наступного року.
На основі таких сенсорів можна створювати детальні магнітні карти місцевості й використовувати їх для надійної, автономної навігації без супутникових сигналів. Той самий принцип придатний і для швидких безконтактних геологічних зйомок: за магнітними аномаліями роблять висновки про структуру земної кори, локалізують рудні поклади чи металеві об’єкти, включно з нерозірваними боєприпасами. Зібрані дані перетворюються на карти з позначенням підозрілих об’єктів і оцінкою їхньої глибини, форми та розміру.
Паралельно у США Leidos за контрактом із Підрозділом оборонних інновацій (DIU) створює альтернативну технологію навігації MagNav, що відстежує варіації магнітного поля Землі та спирається на квантові властивості NV-центрів в алмазі. Так компанія адресує ключову військову вразливість GPS — сприйнятливість до глушіння: у MagNav немає сигналу, який можна заглушити. Керівник команди Transition of Quantum Sensing (TQS) і колишній науковець ВПС США Аарон Канчіані наголошує, що для такої навігації потрібен надчутливий магнітометр, і саме квантові підходи закривають цю потребу. Leidos багато років розвиває квантові рішення для кібербезпеки та сенсорики, а квантові магнітометри, за оцінкою команди, здатні суттєво підвищити точність визначення координат і орієнтації у MagNav.
NV-алмазні магнітометри використовують кристалічну решітку алмазу для задання осі чутливості й точного відтворення повного векторного поля. На відміну від класичних приладів, схильних до дрейфу через опору на відносні вимірювання, квантові вимірювання жорстко пов’язують із магнітним полем через фундаментальні фізичні константи. Новий сенсор для MagNav створює компанія Frequency Electronics Inc. за субпідрядом Leidos у співпраці з Лабораторією Лінкольна Массачусетського технологічного інституту. Завершальна мета — випробувати систему у польоті з новим магнітометром на борту; у разі успіху технологія суттєво просуне військову навігацію.
Спільний знаменник обох підходів — квантове сенсорування на NV-алмазах, яке поєднує високу чутливість, векторні вимірювання з мінімальною потребою в калібруванні та робастність у реальних умовах. Це робить магнітну навігацію життєздатним доповненням і резервом для GNSS у середовищах із завадами або повною відсутністю супутникових сигналів.