- 用于測量磁場的原子有望催生新型量子傳感器
- 來源：科羅拉多大學博爾德分校 發表于 2025/2/7
藝術家描繪的一種通過向含有約 1000 億個銣原子的氣室發射微波信號來測量磁場方向的新策略。圖片來源：史蒂文・伯羅斯 / JILA
科羅拉多大學博爾德分校的一個物理學家與工程師團隊發現了一種利用可能是世界上最小的 “指南針”—— 原子，來測量磁場方向的新方法。
該團隊的研究成果未來或許會催生出一系列新型量子傳感器，從用于繪制人類大腦活動的設備，到幫助飛機全球導航的裝置等。這項新研究發表在《Optica》雜志上，源于物理學家辛迪・雷加爾與量子工程師斯文亞・克納普的合作。
雷加爾是該校物理學教授，同時也是 JILA（由科羅拉多大學博爾德分校與美國國家標準與技術研究院聯合設立的研究機構）的研究員。她表示，這揭示了被捕獲為蒸汽狀態的原子的多種用途。
“原子能夠傳達很多信息，” 她說，“我們對其進行數據挖掘，以便同時了解磁場是否有極其微小的變化，以及這些磁場的指向。”
即便我們從未看見，這些磁場其實無處不在。例如，地球富含鐵的地核會產生一個強大的磁場，環繞著整個星球。每當神經元放電時，你的大腦也會發出微小的磁能脈沖。
但對于精確的原子傳感器而言，測量這些磁場的方向可能頗具挑戰性。在當前的研究中，雷加爾和她的同事們就著手解決這一問題 —— 借助一個裝有大約 1000 億個蒸汽狀態銣原子的小氣室。研究人員向氣室施加磁場，使內部的原子發生能量轉移。然后，他們使用激光精確測量這些轉移。
“你可以把每個原子想象成一根指南針指針，” JILA 雷加爾實驗室的研究生道森・休瓦特說，“我們有 10 億根指南針指針，這能打造出非常精確的測量設備�！�
磁性世界
這項研究部分源于克納普長期以來探索我們周圍磁性環境的目標。
“磁性成像讓我們能夠測量那些隱藏在密集且不透明結構中的源頭，” 保羅・M・雷迪機械工程系的研究教授克納普說，“這些源頭可能在水下，可能埋在混凝土下，也可能在你的頭骨內，大腦中�！�
例如，2017 年，克納普與人共同創立了 FieldLine 公司，該公司生產原子蒸汽磁傳感器，也被稱為光泵磁力儀（OPM）。該公司制造出方糖大小的集成傳感器，并將其安裝在頭盔中，用以繪制人類大腦的活動。
利用參考多個微波極化橢圓（MPE）的拉比振蕩頻率進行矢量磁測量。圖片來源：《Optica》（2024 年）。DOI: 10.1364/OPTICA.542502
然而，這些光泵磁力儀也存在一個重大局限：它們只有在屏蔽外部磁力的環境中，才能很好地測量磁場的微小變化。另一套光泵磁力儀可在這些屏蔽室之外使用，但它們僅擅長測量磁場的強度。它們自身無法記錄磁場的方向，而這對于了解大腦因各種神經疾病可能發生的變化來說，是非常重要的信息。
為獲取此類信息，工程師通常使用已知方向的參考磁場對傳感器進行校準，以此作為某種指引。他們對比施加和未施加參考磁場時傳感器的數據，來評估傳感器的響應情況。在大多數情況下，這些參考物是小金屬線圈，克納普說，隨著時間推移，它們可能會變形或損壞。
雷加爾和她的團隊有一個不同的想法：他們將使用微波天線作為參考，這將使他們能夠依靠原子自身的行為來校正參考物隨時間發生的任何變化。
該研究的共同作者包括 JILA 的前研究生克里斯托弗・基爾、JILA 的前博士后研究員托比亞斯・蒂勒，以及 JILA 的研究生坦梅・梅農。
原子指引方向
雷加爾解釋說，原子的行為有點像微小的磁體。如果你用微波信號轟擊團隊研究的其中一個原子，其內部結構就會擺動 —— 這種原子 “舞蹈” 能為物理學家提供很多信息。
“最終，我們可以讀取這些擺動，它們能告訴我們原子所經歷的能量轉移強度，進而讓我們了解磁場的方向，” 雷加爾說。
在當前的研究中，該團隊能夠利用這種原子 “舞蹈” 將磁場方向的定位精度提高到近百分之一度。其他一些類型的傳感器經過仔細校準也能達到這一精度水平，但研究人員認為，隨著進一步發展，原子具有巨大的潛力。
雷加爾說，與內部部件可能變形的機械設備不同，“原子始終保持不變”。
在將這些微小的 “指南針” 應用到現實世界之前，該團隊仍需提高其精度。但研究人員希望，有朝一日，飛機飛行員能夠利用原子，如同候鳥利用自身的生物磁傳感器一樣，根據地球磁場的局部變化實現全球飛行。
“現在的問題是：‘我們能將這些原子系統推進到什么程度？’” 克納普說。
更多信息：克里斯托弗・基爾等人，《通過微波驅動的拉比頻率測量實現精確的矢量光泵磁力儀》，《Optica》（2024 年）。DOI: 10.1364/OPTICA.542502
期刊信息：《Optica》
由科羅拉多大學博爾德分校提供
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