Ква́нтовый магнито́метр, прибор для определения магнитной индукции, основанный на измерении энергии (частоты) квантового перехода парамагнитной частицы между двумя состояниями, различающимися квантованными (дискретными) значениями проекции углового момента на вектор магнитной индукции. Энергия связана с магнитной индукцией поля через фундаментальные константы и константы, характеризующие вещества, поэтому показания квантового магнитометра не нуждаются в калибровке и имеют абсолютный характер. Это в корне отличает квантовый магнитометр от всех других магнитометров, в том числе от магнитометров на основе квантовых сверхпроводящих интерферометров – СКВИД-магнитометров.

Существует много типов квантовых магнитометров. Наиболее известен протонный магнитометр (рис.), основанный на измерении частоты свободной прецессии ядерных спинов протонов во внешнем магнитном поле. Рабочей средой протонного магнитометра служит жидкость, содержащая протоны, чаще всего вода. При отсутствии магнитного поля магнитные моменты отдельных протонов ориентированы хаотично. Перед началом измерения кювету с водой помещают в сильное вспомогательное магнитное поле, создаваемое катушкой с током и направленное перпендикулярно вектору индукции измеряемого магнитного поля $\boldsymbol B$. Под действием вспомогательного магнитного поля, оказывающего ориентирующее (поляризующее) действие на магнитные моменты протонов, в воде возникает макроскопический магнитный момент. После выключения поляризующего поля этот момент начинает прецессировать вокруг направления измеряемого магнитного поля. Частота прецессии $ω$ пропорциональна величине магнитной индукции $B$ измеряемого поля: $ω=γB,$ где $γ$ – гиромагнитное отношение, равное для протона (в воде) ≈ 42,57602 МГц/Тл. Частота измеряется по сигналу индукции, которую наводит прецессирующая намагниченность в катушках, окружающих кювету с водой. Сигнал представляет собой экспоненциально затухающую синусоиду. Время затухания составляет около 1 с, что позволяет насчитать тысячи периодов осцилляций в земном магнитном поле и обеспечить чувствительность измерения вплоть до долей нТл. Протонный прецессионный магнитометр, построенный впервые в середине 20 в., до сих пор служит эталонным средством измерения магнитной индукции и применяется главным образом в геомагнитных обсерваториях.

Существует много модификаций этого прибора, из которых следует отметить квантовый магнитометр, использующий эффект Оверхаузера для поляризации ядерных спинов. В этих приборах вместо протонов используются парамагнитные радикалы со сверхтонкой структурой основного состояния. В условиях электронного парамагнитного резонанса в микроволновой области удаётся достичь высокого уровня ядерной поляризации без применения сильного внешнего поляризующего поля. Это позволяет перейти от импульсного режима измерения индукции к непрерывному и заметно повысить чувствительность.

В 1960-х гг. появились квантовые магнитометры, использующие в качестве рабочей среды электронные парамагнетики, преимуществом которых является много бóльшая (на 2–3 порядка) величина гиромагнитного отношения $γ.$ При прочих равных условиях это приводит к повышению чувствительности магнитометра и увеличению скорости измерения, что важно для ряда приложений. Однако преимущество высокого гиромагнитного отношения у электронных парамагнетиков удаётся реализовать, если только времена релаксации намагниченности электронных и ядерных парамагнетиков сопоставимы. Это возможно для электронных парамагнетиков в виде разреженных атомарных газов. Наилучшие результаты достигнуты для атомов в основном $S$ состоянии, таких как атомы щелочных металлов и атомы гелия в метастабильном $2^3S_1$ состоянии (ортогелий). В квантовом магнитометре с электронными парамагнетиками используется другой принцип поляризации – оптическая накачка. Этот процесс основан на селективном оптическом возбуждении атомов в состояниях с определённым значением углового момента или его проекции. Оптическая накачка позволяет не только достигать предельно высокой поляризации атомов, но и контролировать её по степени поглощения атомами света накачки. Сочетание электронных парамагнетиков с принципом оптической накачки дало возможность создать квантовые магнитометры, превосходящие протонные магнитометры по всем основным показателям, таким как точность, разрешающая способность и быстродействие.

Квантовые магнитометры с оптической накачкой перекрывают широчайший диапазон значений магнитной индукции – от нуля до единиц Тл. Чувствительность таких квантовых магнитометров не зависит от величины напряжённости измеряемого поля (в отличие от протонных магнитометров, чувствительность которых линейно уменьшается с уменьшением напряжённости поля). Наиболее широко они применяются для измерения геомагнитных полей, т. е. в области магнитной индукции от 20 до 80 мкТл. Популярными рабочими веществами для квантовых магнитометров с оптической накачкой являются пары́ щелочных металлов – цезия и калия, а также ортогелий. Наиболее простые и дешёвые цезиевые магнитометры обладают высокой разрешающей способностью (порядка 1 пТл в полосе 1 Гц), высоким быстродействием (до 100 измерений в 1 с), но характеризуются значительными систематическими погрешностями – порядка 1 нТл и более. Калиевые квантовые магнитометры с оптической накачкой обладают наиболее высокой точностью порядка 10 пТл при разрешающей способности порядка 0,1 пТл · Гц^–1/2. Гелиевые магнитометры имеют близкие характеристики по точности и разрешению, но только в условиях лазерной оптической накачки (квантовые магнитометры на парáх щелочных металлов хорошо работают при накачке от простых газоразрядных ламп). При этом гелиевые квантовые магнитометры имеют большую скорость реакции и не нуждаются в термостабилизации рабочего объёма прибора.