Внутри каждого атома рубидия-87 есть крошечный магнит — спин ядра и спин электрона. В сильном внешнем поле эти магнитики перестают влиять друг на друга и выстраиваются по отдельности, как два независимых компаса. Именно в таком режиме работает новый датчик SASHMAG: он ловит момент, когда атомы поглощают лазерный свет, и по частоте этого поглощения определяет магнитное поле.

Лазерный луч проходит сквозь облачко паров рубидия дважды — в прямом и обратном направлении. Атомы, летящие навстречу лучу, видят свет чуть более «синим», а убегающие — чуть более «красным». В обычных условиях это размывает сигнал, но встречные пучки компенсируют доплеровский сдвиг, и остаются только резкие пики поглощения. Каждый пик соответствует строго определённой ориентации атомного магнитика.

Чтобы понять, как именно атомы ведут себя в сильном поле, учёные построили модель на основе уравнений Блоха. Она учитывает, как атомы переходят между энергетическими уровнями, как лазерный свет насыщает переходы и как тепловое движение уширяет линии. Модель совпала с экспериментом с точностью до ширины линии — это значит, что теперь можно заранее предсказывать спектры для любых условий.

Поле вычисляется не вручную, а автоматически: программа перебирает возможные значения поля и находит такое, при котором расчётные частоты линий лучше всего совпадают с измеренными. Такой подход уже сейчас даёт надёжные результаты, а в будущем позволит обучать нейросети на синтетических данных — тогда датчик сможет работать ещё быстрее и автономнее.

Магнитометрия нужна не только в лабораториях. В аппаратах МРТ поле достигает 1,5–3 тесла, и его нужно контролировать с высокой точностью. В термоядерных реакторах магнитные поля удерживают раскалённую плазму, и малейшее отклонение может разрушить реакцию. Датчик на основе рубидия-87 — шаг к тому, чтобы такие измерения стали дешевле и доступнее.