Un sensore quantistico monitora il campo magnetico terrestre dallo spazio per 10 mesi.

Dalla navigazione alle previsioni meteorologiche solari, numerose aree di ricerca richiedono sensori spaziali per misurare il campo magnetico terrestre con la massima precisione possibile in ogni istante. Finora, tuttavia, i sensori esistenti hanno costantemente dovuto affrontare problemi quali la deriva, le interferenze generate dal veicolo spaziale stesso e le difficili condizioni orbitali.

Grazie a una nuova ricerca pubblicata su Physical Review Applied , Yarne Beerden e i suoi colleghi dell’Università di Hasselt, in Belgio, hanno sviluppato un sensore quantistico a base di diamante che potrebbe offrire una soluzione promettente a questi problemi.

Raggiungimento di un limite di prestazione

Per misurare il campo magnetico terrestre con la massima precisione possibile, i ricercatori si affidano attualmente a sensori spaziali chiamati ” magnetometri a flusso “. Nonostante i loro notevoli risultati, questi dispositivi presentano degli svantaggi significativi: tra questi, le letture tendono a variare nel tempo a causa delle fluttuazioni di temperatura e i componenti si usurano, richiedendo una ricalibrazione periodica.

Oltretutto, questi sensori sono vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche generate dall’elettronica stessa del veicolo spaziale, il che spesso significa che devono essere montati su lunghi bracci dispiegabili per creare una certa distanza tra il sensore e la fonte di rumore. Poiché le agenzie spaziali puntano sempre più a piattaforme satellitari più economiche e di dimensioni ridotte, questi limiti diventano sempre più difficili da superare.

Vi presentiamo: OSCAR-QUBE

Nel loro studio, il team di Beerden ha introdotto un’alternativa a base di carbonio a questi sensori. Denominato dispositivo OSCAR-QUBE, adotta un approccio fondamentalmente diverso: sfrutta le imperfezioni su scala atomica chiamate azoto-vacanza (NV). centri

Queste strutture sono difetti nel reticolo cristallino del diamante, in cui un atomo di azoto si trova accanto a un atomo di carbonio mancante, e sono estremamente sensibili ai campi magnetici, il che le rende particolarmente utili come sensori quantistici. Fondamentalmente, il diamante stesso è anche straordinariamente robusto: grazie alla sua resistenza alle radiazioni, alla stabilità termica e alla tenacità meccanica, è ben adatto alle condizioni estreme dello spazio.

del team Il magnetometro funziona proiettando un raggio laser sul diamante e monitorando la risposta dei centri NV. Determinando come i loro stati quantici si modificano sotto l’azione di un campo magnetico applicato, possono raccogliere informazioni dettagliate sulla sua intensità e direzione.

Dispiegamento nello spazio

Complessivamente, OSCAR-QUBE pesava appena 420 grammi, era contenuto in un cubo di soli 10 cm di lato e consumava appena 5 watt di potenza. Installato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) per 10 mesi, il magnetometro ha raggiunto una sensibilità sufficientemente elevata da rilevare variazioni significative del campo magnetico terrestre al passaggio della stazione.

In base a questi risultati, il team di Beerden nutre ora la speranza che il loro dispositivo possa aprire la strada alle missioni di osservazione della Terra di prossima generazione.

Le future costellazioni di piccoli satelliti, ciascuno dotato di magnetometri NV compatti , potrebbero mappare il campo geomagnetico con una risoluzione di gran lunga superiore a quella consentita dalle missioni attuali, senza gli inconvenienti di calibrazione tipici dei sensori tradizionali. A sua volta, ciò potrebbe rappresentare un passo importante verso la trasformazione della rilevazione quantistica in uno strumento pratico per le scienze spaziali.

La mappatura precisa del campo geomagnetico è essenziale per comprendere la geodinamica terrestre, le interazioni meteorologiche spaziali e le applicazioni di navigazione. I magnetometri tradizionali presentano limitazioni in termini di sensibilità per un’ampia gamma dinamica e compattezza. Per affrontare queste sfide, è stato sviluppato il magnetometro quantistico OSCAR-QUBE basato su centri di vacanza di azoto nel diamante, che fornisce una soluzione sensibile e compatta per le misurazioni del campo magnetico spaziale. Il nostro sistema impiega la risonanza magnetica rilevata otticamente per misurare i campi magnetici utilizzando le proprietà quantistiche dei centri di vacanza di azoto in un design miniaturizzato. Il fattore di forma del dispositivo finale era 1U ( 10 ×10 ×10 cm3), del peso di 420 g, e aveva un consumo energetico di 5 W. Installato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, il nostro magnetometro ha misurato mappe del campo magnetico ad alta risoluzione, raggiungendo una sensibilità di <300 nT/√Hze dimostrando con successo la mappatura vettoriale del campo magnetico in situ in condizioni di orbita terrestre bassa. Questi risultati convalidano l’applicazione, già collaudata in volo, del rilevamento quantistico a diamante nello spazio, dimostrando la fattibilità della magnetometria quantistica a stato solido per le missioni di telerilevamento e osservazione della Terra di prossima generazione. Questo lavoro pone le basi per futuri carichi utili quantistici compatti e multisensore per applicazioni spaziali sia scientifiche che commerciali.

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