היכולת למדוד שדה מגנטי במדוייק הינה שימושית ביותר למחקרים בסיסיים בפיסיקה, בביולוגיה, חקר החלל ועוד תחומים רבים. בשנים האחרונה חווה התחום מהפכה, בעקבות התפתחותם של גלאים המבוססים על פיסיקה של גזים אטומיים (מגנטומטרים אטומיים). הרעיון הבסיסי העומד מאחורי גלאים (ראו תמונה) אלו מבוסס על מניפולציה אופטית (Pump) אשר מייצרת מומנט מגנטי בגז האטומים, כלומר הגז כולו מתנהג כמגנט זעיר. בנוכחות של שדה מגנטי חיצוני (אותו אני מעוניינים למדוד) מבצע המומנט המגנטי, המצביע בכל רגע בכיוון מסויים, תנועה סיבובית הנקראית פרסציה (Precession). ניתן למדוד תנועה סיבובית זו למשל באמצעות קרן אור מקוטבת לינארית (Probe), למשל באפקט פאראדיי, ולהסיק בכך על כיוונו ועוצמתו של השדה המגנטי בסביבה של האטום.

שני המרכיבים הטכנולוגיים אשר הפכו את הרעיון לשימושי הינם (1) פיתוח של דיודות לייזר קטנות מימדים,
זולות, אמינות וניתנות לכיוון ו-(2) פיתוחם של גזים צפופים אשר המומנט המגנטי שלהם הינו עמיד יחסית מול רעשי הסביבה החיצונית, ו-"מחזיק מעמד", כלומר שומר על גודלו, זמן שאורכו סדר גודל של שנייה (נקרא "זמן החיים" של המומנט המגנטי)

פיתוחים אלו אפשרו לרגישות של מגנטומטרים אטומיים להתחרות ברגישותם של המגנטומטרים מבוססי על-מוליכים (SQUIDs), אשר נחשבים היום לגלאים הרגישים ביותר. ייתרונם הגדול הינו שהם אינם זקוקים לקירור לטמפרטורות נמוכות, ויש להם פוטנציאל גדול למזעור.

אולם גם לרגישות של גלאים אלו ישנו גבול יסודי, הניתן על-ידי מכאניקת הקוואנטים. גבול זה נובע מן האופי המיוחד של המומנט המגנטי, אשר לא מאפשר מדידה מדויקת של גודלו בכל שלושת הכיוונים בו-זמנית. הנוסחה המתארת את השגיאה בשדה המגנטי המדוד על ידי N אטומים נתונה על-ידי:

כאשר T הינו זמן המדידה, ו- הינו זמן החיים של המומנט המגנטי, והשאר קבועים. מנוסחא זו ניתן ללמוד כי הגדלה של כמות האטומים, זמן החיים של המומנט, או זמן המדידה, כולם יכולים לשפר את ביצועי המגנטומטר.

תחום אחד בו ישנם שימושים חשובים למדידות מגנטיות היו הביו-רפואה. מדידות מגנטיות הינן כלי נפוץ במחקרים של הלב והמוח. בתחום הלב, ניתן ליצור תמונות מרחביות עשירות באינפורמציה על מחזור הפעולה של הלב, אשר ניתנות ללא צורך בחיבור מגעים חשמליים על הנבדק. כיום ניתן לבצע מדידות אלו רק בחדרים בעלי בידוד מרעשים מגנטיים חיצוניים, שהינם מתקנים יקרים הנחשבים יקרים מדי לשימוש קליני. שימוש כזה ייתכן עם פיתוחם של גלאים זולים ומדויקים אשר מסוגלים לפעול בסביבה לא מבודדת. מדידת השדה המגנטי של המוח הינה כלי נפוץ ביותר במחקרים, למשל לצורך זיהוי התגובה של אזורים מסוימים לגירוי חיצוני. בתמונה התחתונה אנו רואים את השדה המגנטי המדוד ממספר גלאים לאחר גירוי שמיעתי. מדידה זו התבצעה באמצעות מגנטומטר אטומי כאשר הנבדק נמצא בתוך אזור מבודד מרעשים מגנטיים.

תחום נוסף נדרשת מדידה של שדה מגנטי מדויק הינו חקר החלל, בתוך חלליות וגשושיות הנשלחות לכוכבי הלכת שמסביבנו. מגלאים אלו נדרשת יכולת פעולה אמינה בתנאים קשים, כגון לחצים פיסיים ותרמיים, משקל נמוך וצריכת אנרגיה נמוכה. גלאים אטומיים מבוססי הליום הוטסו במשימות החלל האחרונות קאסיני (Cassini) ויוליסס (Ulysses) וסיפקו מידע חדש על המגנטוספירות של שבתאי והירח שלו אנקלדוס (Enceladus).

הקוראים מוזמנים להציע שימושים נוספים למדידות של שדה מגנטי בדיוק גבוה.

מקורות:
  Optical Magnetometry, D. Budker and M. Romalis, Nature Physics 3, 227 (2007)

 

מאת: ערן גינוסר
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.