← أحدث الأبحاث
🔬 فيزياء الذرة

A Compact Single-Beam Optically Pumped Magnetometer Based on Absorption Detection

تُظهر هذه الورقة البحثية مغناطيسية ضخ بصري مدمجة أحادية الشعاع تستخدم خلية بخار من الروبيديوم-87 (87Rb) مصنعة مجهرياً بضغط غاز عازل مرتفع، محققةً حساسية عالية تبلغ 11 فمتو تسلا لكل جذر هرتز (11 fT/Hz^1/2) في حجم صغير و66 فمتو تسلا لكل جذر هرتز (66 fT/Hz^1/2) في نموذج أولي متكامل تماماً، مما يمهد الطريق لمصفوفات استشعار مغناطيسي عالية الأداء وقابلة للتوسع.

المؤلفون الأصليون: Jia-You Liou, Yi-Hsuan Chen, Hsiang-An Chuang, Chih-Hsuan Huang, Zong-Hsin Liu, I-Chiao Tsai, Kai-Hsin Peng, Yi-Hsin Chen

نُشر 2026-10-26
📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة
CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Jia-You Liou, Yi-Hsuan Chen, Hsiang-An Chuang, Chih-Hsuan Huang, Zong-Hsin Liu, I-Chiao Tsai, Kai-Hsin Peng, Yi-Hsin Chen

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

المغناطيسية هي قوة غير مرئية تشكل عالمنا، من إبرة البوصلة التي تشير إلى الشمال إلى الإشارات الكهربائية المعقدة التي تنطلق داخل دماغ الإنسان. لعقود من الزمن، احتاج العلماء إلى قياس هذه المجالات المغناطيسية بدقة متناهية لفهم كل شيء، بدءاً من لب الأرض وصولاً إلى نشاط الخلايا العصبية. كانت أكثر الأدوات حساسية لهذه المهمة تقليدياً هي الأجهزة فائقة التوصيل التي يجب الحفاظ عليها في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، مما يتطلب معدات ضخمة ومكلفة لا يمكنها مغادرة المختبر بسهولة. وفي السنوات الأخيرة، ظهر نهج مختلف باستخدام سحب من الذرات، وتحديداً غاز الروبيديوم، الذي يمكن أن يعمل كمستشعرات مغناطيسية حساسة للغاية مع العمل في درجات حرارة أكثر دفئاً بكثير. تعمل هذه المقاييس المغناطيسية الذرية عن طريق استخدام الضوء لمحاذاة دوران الذرات، ثم مراقبة كيفية تسبب مجال مغناطيسي خارجي في جعلها تتذبذب. وكان التحدي الذي يواجه الباحثين هو تصغير هذه الأجهزة إلى حجم صغير بما يكفي لتكون محمولة أو قابلة للارتداء، دون فقدان القدرة على اكتشاف أضعف همسات القوة المغناطيسية.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في تايوان خطوة مهمة نحو هذا الهدف من خلال بناء مقياس مغناطيسي مدمج يتسع في صندوق صغير ويحقق حساسية مذهلة. لقد بدأوا بخلية زجاجية صغيرة، لا يتجاوز عرضها بضعة مليمترات، مملوءة بغاز الروبيديوم النقي وضغط عالٍ من النيتروجين. يعمل النيتروجين هنا كوسادة، حيث يبطئ حركة ذرات الروبيديوم حتى لا تصطدم بالجدران الزجاجية وتفقد محاذاتها المغناطيسية بسرعة كبيرة. وضع الباحثون هذه الخلية داخل درع متعدد الطبقات مصنوع من معدن خاص وفريت لحجب مجال الأرض والمداخلات الشاردة الأخرى، مما خلق بيئة هادئة حيث يمكن للمستشعر الإنصات لأضعف الإشارات. ثم قاموا بتسخين الخلية إلى درجة حرارة محددة لضمان وجود ما يكفي من ذرات الروبيديوم تطفو بحرية للتفاعل مع شعاع واحد من ضوء الليزر. هذا الليزر، الذي تم ضبطه على لون محدد، يمر عبر الغاز، ويقيس الباحثون مقدار الضوء الذي ينفذ من خلاله. فعندما يتواجد مجال مغناطيسي، فإنه يغير كيفية امتصاص الذرات للضوء، ومن خلال تتبع هذه التغييرات الصغيرة، يمكن للجهاز حساب قوة المجال المغناطيسي بدقة مذهلة.

اختبر الفريق بعناية كيف يتصرف المستشعر تحت ظروف مختلفة، مع تعديل سطوع الليزر ولونه الدقيق بالنسبة للرنين الطبيعي للذرات. واكتشفوا أن هناك توازناً دقيقاً يجب تحقيقه: فإذا كان الضوء خافتاً جداً، ستكون الإشارة ضعيفة جداً للقياس، ولكن إذا كان ساطعاً جداً، فإنه سيخلق ضوضاء ويشوش القياس. ومن خلال إيجاد الحل الوسط المثالي، حققوا حساسية بلغت 11 فيمتوتسلا لكل جذر هرتز. ولوضع هذا المستوى من الدقة في منظور، يمكن لهذا الجهاز اكتشاف مجالات مغناطيسية أضعف بترليون مرة من مجال مغناطيس ثلاجة نموذجي. وقد تحقق هذا المستوى من الأداء مع حجم استشعار صغير جداً، مما يثبت أن الحساسية العالية لا تتطلب بالضرورة معدات كبيرة. كما أظهر الباحثون أنه يمكن الحفاظ على هذا الأداء العالي حتى عندما يتم حزم النظام بأكمله في نموذج أولي مصغر.

لإنشاء هذه النسخة الأصغر، استخدم الفريق لوحة دوائر مرنة يمكن طيها على شكل مكعب، بحيث تدمج عنصر التسخين، والملفات المغناطيسية، وخلية البخار في وحدة واحدة مدمجة. واختبروا طريقتين مختلفتين لترتيب الملفات المغناطيسية على هذه اللوحة لمعرفة أيهما يخلق مجالاً مغناطيسياً أكثر تجانساً داخل المستشعر. وقد أثبت أحد التصميمين، الذي استخدم تخطيطاً ثنائي المستويات، تفوقه، حيث خلق بيئة مغناطيسية أكثر سلاسة بكثير من التصميم المربع البديل. ومع هذا الإعداد المحسن، حقق المستشعر المصغر حساسية بلغت 66 فيمتوتسلا لكل جذر هرتز. ورغم أن هذا أقل حساسية قليلاً من نسخة المختبر الكبيرة، إلا أنه يمثل قفزة نوعية كبيرة بالنسبة لجهاز بهذا الحجم. وقد أُرجع الانخفاض الطفيف في الأداء إلى العيوب الصغيرة في تجانس المجال المغناطيسي داخل الهيكل الصغير المطوي، وهي مشكلة يعتقد الباحثون أنه يمكن حلها من خلال تعديلات تصميمية إضافية.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن بناء مستشعرات مغناطيسية عالية الحساسية وصغيرة بما يكفي ليتم دمجها في مصفوفات محمولة. إن القدرة على اكتشاف مثل هذه المجالات المغناطيسية الضعيفة في شكل مدمج تفتح الباب لتطبيقات جديدة في التصوير الطبي ومراقبة الدماغ، حيث تحتاج المستشعرات إلى أن توضع بالقرب من الجسم دون قيود المعدات الثقيلة والمبردة بالتبريد العميق. ومن خلال إثبات أن تصميم الشعاع الواحد مع خلية غاز ذات ضغط عالٍ يمكن أن يعمل بفعالية كبيرة، فقد رسم الباحثون مساراً واضحاً نحو إنشاء شبكات من هذه المستشعرات التي يمكنها يوماً ما رسم الخرائط للنشاط المغناطيسي للدماغ البشري أو القلب بتفاصيل وسهولة غير مسبوقة.

غارق في أبحاث مجالك؟

تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.

جرّب Digest →

أبحاث مشابهة

عرض الكل في هذا التصنيف 🔬 physics.atom-ph →