Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Резонанс пересечения уровней в нулевом магнитном поле – эффект Ханле в основном состоянии атомов – лежит в основе высокочувствительных атомных магнитометров (или магнитометров с оптической накачкой, МОН). В роли атомов, как правило, выступают атомы щелочных металлов: Rb, Cs или K, а также атомы He. Такие квантовые сенсоры активно внедряются в медицинские исследования (магнитная кардио- и энцефалография, магнитная нейрография и другие), биологические исследования (биомагнетизм растений), материаловедение (характеризация суперпарамагнитных наночастиц – "спионов", находящих применения в медицине) и другие области науки и техники. Для многих приложений важны миниатюрные габариты сенсорной части МОН с объёмом на уровне 10 см^3 и менее. Однако, с уменьшением габаритов уменьшается и ячейка с атомами и, следовательно, чувствительность измерений сенсора. Решением этой проблемы стало использование режима подавленной спин-обменной релаксации (SERF), который позволил достичь чувствительности сенсора на уровне 100 фТл/Гц^1/2 и лучше. Этот режим получил большое распространение во всех современных сенсорах на основе эффекта Ханле. Однако, SERF-сенсоры обладают рядом недостатков. В частности, требуется достаточно высокая температура атомной ячейки (около 150 С), что приводит к относительно высокому тепловыделению сенсора и потребности в серьёзных мерах термоизоляции ячейки от внешнего корпуса. Помимо этого режим SERF обладает пониженным динамическим диапазоном измерений (порядка 10 нТл) и шириной полосы (быстродействием), как правило, не более 150 Гц. Таким образом, представляется важным развитие магнитных сенсоров на основе эффекта Ханле, которые бы не обладали этими недостатками. В отчётном периоде проекта нами была исследована теоретически и экспериментально схема Ханле-сенсора на основе одного эллиптически поляризованного светового пучка. При этом мы сконцентрировались на относительно невысокой температуре паров (80 С и менее), т.е. режим SERF не был задействован. Для наблюдения резонансов пересечения уровней использовалась поляриметрическая техника. Однако, в отличие от большинства других работ, где в однопучковых схемах резонансы регистрируются по повороту поляризации света (фарадеевское вращение), в нашем случае резонансы регистрировались по изменению параметра эллиптичности. Такой подход имеет свои преимущества. В частности, он не требует отстройки частоты света от линии поглощения, а значит стабилизировать такое излучение по частоте будет значительно проще. В ходе исследований были изучены и сопоставлены различные конфигурации: стандартная схема с циркулярно поляризованным пучком и регистрацией резонанса в интенсивности света, поляриметрическая техника с эллиптически поляризованной волной, а также двухпроходная схема. Также помимо буферной ячейке исследовалась и ячейка с антирелаксационным покрытием стенок. Как показали предварительные результаты работы, однопроходная схема с поляриметрической техникой регистрации даёт наилучший результат, а именно, была получена чувствительность около 400 фТл/Гц^1/2 при использовании миниатюрной стеклянной ячейки (~ 0.1 см3). Помимо ячейки нами были разработаны и другие миниатюрные элементы, в частности, нагреватели и кольца Гельмгольца. Всё это поможет изготовить прототип миниатюрного сенсора на следующем этапе проекта. Чувствительность, продемонстрированная в ходе второго этапа проекта далека от той, что определяется фотонным дробовым шумом. Она ограничена в основном техническими шумами (от недостаточной магнитной экранировки, от нагревателей ячейки), которые в будущем могут быть уменьшены. Ширина полос в предложенной схеме сенсора составила около 700 Гц, что в несколько раз выше, чем у SERF-сенсоров. Хоть режим SERF и не был задействован в наших экспериментах, мы обнаружили интересный эффект "заужения" магнитооптического резонанса, который планируем исследовать на следующем этапе проекта в дополнении к ранее объявленным задачам. Информация о настоящем проекте представлена в разделе “Funding” на персональной интернет-странице руководителя в научной сети ORCID: https://orcid.org/my-orcid?orcid=0000-0002-4578-2478

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётном периоде были проведены экспериментальные и теоретические исследования новых схем для атомной магнитометрии, основанных на резонансах пересечения уровней в нулевом магнитном поле (эффект Ханле в основном состоянии атома). В современных наиболее чувствительных сенсорах, основанных на эффекте Ханле, в основном используется такая конфигурация полей, в которой магнитный резонанс наблюдается в угле поворота поляризации пробного пучка. Причём, этот поворот связан с явлением двулучепреломления среды, чувствительного к магнитному полю. Также такой способ регистрации существенно уменьшает шум интенсивности света – основного источника шума в сенсорах. Поэтому на основе такого подхода могут быть созданы высокочувствительные магнитные сенсоры. В нашем же проекте основное внимание уделяется другому фундаментальному оптическому явлению – дихроизму. А именно, в 2025 г была рассмотрена конфигурация встречных пучков, обладающих линейными поляризациями. Один из пучков более интенсивный – накачивающий пучок, – тогда как второй пучок выступает в роли пробного. Для наблюдения резонансов пересечения уровней сканируется магнитное поле, направленное параллельно волновым векторам встречных световых волн. При выполнении ряда условий в такой схеме возможно наблюдение магнитооптического резонанса (МОР) с весьма высоким контрастом (> 70%), что важно для последующих приложений в магнитометрии. В первой исследованной нами схеме рассматривается конфигурация, состоящая из монохроматических волн, линейные поляризации которых ориентированы под углом 45 градусов. МОР в таком случае наблюдался в угле вращения линейной поляризации пробного пучка. Оба пучка находились в резонансе с одним из дипольных переходов в D1-линии цезия (895 нм). Как показали эксперименты, в такой схеме возможно наблюдать вращение линейной поляризации на весьма значительные углы, равные нескольким десяткам градусов, что обычно не происходит в магнитометрах, основанных на двулучепреломлении, где вращение не превышает 1-2 градусов. Также была построена теоретическая модель наблюдавшихся в экспериментах МОР, основанная как на упрощённой схеме трёхуровневого атома, так и на более строгом подходе с полным учётом вырождения уровней энергии по проекции полного углового момента. Оценки чувствительности измерений магнитного поля, полученные на основе экспериментальных данных, дают значение около 250 фТл/√Гц в текущих условиях эксперимента и около 30 фТл/√Гц в пределе дробового шума. На основе предложенной схемы может быть создан компактный магнитный сенсор с ячейкой объёмом от 0.5 см^3, работающий около нулевого магнитного поля и использующий относительно невысокую температуру атомов (не более 55 С). После систематизации всех проведенных исследований нами была разработана схема миниатюрного магнитного сенсора, и был создан лабораторный макет такого сенсора. После предварительных испытаний сенсор продемонстрировал чувствительность около 600 фТл/√Гц в полосе 1.7 кГц. Как показал анализ шумов полезного сигнала, чувствительность в текущих условиях ограничена техническими шумами (от катушек Гельмгольца, недостаточной экранировки области атомной ячейки и тепловых шумов фотоприёмника). В будущем все эти источники могут быть минимизированы, а чувствительность приближена к пределу, определяемому дробовым шумом (20 фТл/√Гц). Все запланированные на 2025 г работы были выполнены. Более того, помимо запланированных ранее работ, в ходе исследований возникли два новых направления приложений наших результатов. В частности, все ранее проведенные теоретические исследования различных конфигураций для наблюдения резонансов пересечения уровней касались поляризованного лазерного излучения. В 2025 г нами была рассмотрена задача о неполяризованном тепловом излучении, что представляло собой некоторую новизну. Как оказалось, полученные результаты являются важными для применения разработанной модели в астрофизике – поиск магнитосфер экзопланет. Эта тема вызывает большой интерес в настоящее время, поскольку, с одной стороны, позволяет лучше понять, как формируются магнитосферы планет, а с другой – связана с поиском жизни на других планетах, поскольку наличие магнитосферы существенно повышает шанс на наличие живых организмов на поверхности экзопланеты. В качестве примера приложения нашей теории был рассмотрен спектр поглощения гелия «горячего Сатурна» WASP-69b (163 св.г. от Земли). Анализ абсорбционного спектра гелия с помощью разработанной нами модели показал, что вероятнее всего эта экзопланета обладает магнитным полем, по порядку равным 0.1 Гс. Другое новое направление приложений наших исследований касается атомных часов. Так, при совместном анализе эффекта Ханле, эффекта Зеемана и эффекта затягивания частоты нами был разработан способ подавления магнитного сдвига частоты в миниатюрных атомных часах, основанных на явлении когерентного пленения населённостей. Причём, чувствительность частоты таких часов может быть подавлена на 3 – 4 порядка по отношению к соответствующим паспортным значениям современных коммерческих атомных часов. Это значит, что в следующем поколении таких часов проблема с магнитным сдвигом может быть решена полностью, что важно как для земных применений таких часов, так и для их использования на борту спутников, движущихся по земной орбите в магнитном поле. В 2025 г. нами было сделано 12 докладов (лекции, приглашённые, устные и стендовые доклады) в различных городах России. Некоторые результаты уже были опубликованы в рецензируемых научных журналах, другие же находятся на рассмотрении. Информация о настоящем проекте представлена в разделе “Funding” на персональной интернет-странице руководителя в научной сети ORCID: https://orcid.org/my-orcid?orcid=0000-0002-4578-2478, а публикации по результатам проекта указываются в научной сети ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Denis-Brazhnikov/research