Исследователи Института Фраунгофера физики твердого тела IAF поместили алмаз с азотно-вакансионными центрами (NV-центрами) внутрь лазерного резонатора и получили магнитометр, у которого контраст оптического сигнала достиг 100%. Результаты опубликовал 22 октября 2026 года журнал Nature Communications.

Как NV-центры управляют лазером

У NV-центров есть два спиновых состояния. В одном из них центр сильнее поглощает свет на длине волны лазерного резонатора. Если подать на дефекты резонансное микроволновое поле, они переходят в состояние с большим поглощением. Алмаз становится непрозрачным для резонатора, и лазер гаснет. При наиболее выраженном эффекте, когда мощность накачки MECSEL-лазера составляла 1,82 Вт, сигнал мощностью больше 50 мВт падал до нуля — оптический контраст достиг 100%.

Обычный магнитометр заставляет выбирать: либо он чувствует слабые поля, но насыщается при сильных (высокая чувствительность при малом динамическом диапазоне), либо наоборот. Лазерный механизм ослабляет этот компромисс. Когда контраст приближается к 100%, предел чувствительности, ограниченный дробовым шумом фотонов, улучшается сверхлинейно: каждый процент контраста даёт выигрыш больше, чем в ту же пропорцию.

Представим два ведра: одно глубокое, но узкое, второе широкое, но мелкое. Обычный магнитометр похож на первое. Лазерный даёт одно ведро, которое и глубокое, и широкое. В цифрах: в одном режиме система показала динамический диапазон ±280 микротеслы при пределе чувствительности около 1160 фемтотеслы на корень из герца; в другом — диапазон уже, ±40 микротеслы, но предел ниже 400 фемтотеслы на корень из герца. Настройкой можно сдвигать баланс, но в любом случае выигрыш заметен: отношение динамического диапазона к пределу чувствительности выросло до 590 раз по сравнению с линейной аппроксимацией, сделанной авторами для других магнитометров.

Границы эксперимента

Сама система — демонстрация принципа. Авторы не достигли указанных пределов в реальных измерениях: технический шум лазера оказался выше дробового. Чтобы приблизиться к расчётной чувствительности, нужны стабилизация резонатора и температуры, балансировка оптических сигналов и, возможно, монолитная интеграция. Потенциальное применение — медицинская диагностика, навигация или поиск магнитных аномалий, но это перспектива, а не текущая возможность.

Для тех, кто интересуется устройством научных публикаций и тем, как оформлять результаты собственных исследований, будет полезно ознакомиться с описанием написания научных статей.

Схема принципа лазерной пороговой магнитометрии: алмаз с NV-центрами в резонаторе лазера, работа вблизи порога генерации даёт высокий контраст и ослабляет компромисс между чувствительностью и динамическим диапазоном.

Фото: Opt Lasers from Poland / Pexels