用于测量磁场的原子有望催生新型量子传感器

艺术家描绘的一种通过向含有约 1000 亿个铷原子的气室发射微波信号来测量磁场方向的新策略。图片来源：史蒂文・伯罗斯 / JILA

科罗拉多大学博尔德分校的一个物理学家与工程师团队发现了一种利用可能是世界上最小的 “指南针”—— 原子，来测量磁场方向的新方法。

该团队的研究成果未来或许会催生出一系列新型量子传感器，从用于绘制人类大脑活动的设备，到帮助飞机全球导航的装置等。这项新研究发表在《Optica》杂志上，源于物理学家辛迪・雷加尔与量子工程师斯文亚・克纳普的合作。

雷加尔是该校物理学教授，同时也是 JILA（由科罗拉多大学博尔德分校与美国国家标准与技术研究院联合设立的研究机构）的研究员。她表示，这揭示了被捕获为蒸汽状态的原子的多种用途。

“原子能够传达很多信息，” 她说，“我们对其进行数据挖掘，以便同时了解磁场是否有极其微小的变化，以及这些磁场的指向。”

即便我们从未看见，这些磁场其实无处不在。例如，地球富含铁的地核会产生一个强大的磁场，环绕着整个星球。每当神经元放电时，你的大脑也会发出微小的磁能脉冲。

但对于精确的原子传感器而言，测量这些磁场的方向可能颇具挑战性。在当前的研究中，雷加尔和她的同事们就着手解决这一问题 —— 借助一个装有大约 1000 亿个蒸汽状态铷原子的小气室。研究人员向气室施加磁场，使内部的原子发生能量转移。然后，他们使用激光精确测量这些转移。

“你可以把每个原子想象成一根指南针指针，” JILA 雷加尔实验室的研究生道森・休瓦特说，“我们有 10 亿根指南针指针，这能打造出非常精确的测量设备。”

磁性世界

这项研究部分源于克纳普长期以来探索我们周围磁性环境的目标。

“磁性成像让我们能够测量那些隐藏在密集且不透明结构中的源头，” 保罗・M・雷迪机械工程系的研究教授克纳普说，“这些源头可能在水下，可能埋在混凝土下，也可能在你的头骨内，大脑中。”

例如，2017 年，克纳普与人共同创立了 FieldLine 公司，该公司生产原子蒸汽磁传感器，也被称为光泵磁力仪（OPM）。该公司制造出方糖大小的集成传感器，并将其安装在头盔中，用以绘制人类大脑的活动。

利用参考多个微波极化椭圆（MPE）的拉比振荡频率进行矢量磁测量。图片来源：《Optica》（2024 年）。DOI: 10.1364/OPTICA.542502

然而，这些光泵磁力仪也存在一个重大局限：它们只有在屏蔽外部磁力的环境中，才能很好地测量磁场的微小变化。另一套光泵磁力仪可在这些屏蔽室之外使用，但它们仅擅长测量磁场的强度。它们自身无法记录磁场的方向，而这对于了解大脑因各种神经疾病可能发生的变化来说，是非常重要的信息。

为获取此类信息，工程师通常使用已知方向的参考磁场对传感器进行校准，以此作为某种指引。他们对比施加和未施加参考磁场时传感器的数据，来评估传感器的响应情况。在大多数情况下，这些参考物是小金属线圈，克纳普说，随着时间推移，它们可能会变形或损坏。

雷加尔和她的团队有一个不同的想法：他们将使用微波天线作为参考，这将使他们能够依靠原子自身的行为来校正参考物随时间发生的任何变化。

该研究的共同作者包括 JILA 的前研究生克里斯托弗・基尔、JILA 的前博士后研究员托比亚斯・蒂勒，以及 JILA 的研究生坦梅・梅农。

原子指引方向

雷加尔解释说，原子的行为有点像微小的磁体。如果你用微波信号轰击团队研究的其中一个原子，其内部结构就会摆动 —— 这种原子 “舞蹈” 能为物理学家提供很多信息。

“最终，我们可以读取这些摆动，它们能告诉我们原子所经历的能量转移强度，进而让我们了解磁场的方向，” 雷加尔说。

在当前的研究中，该团队能够利用这种原子 “舞蹈” 将磁场方向的定位精度提高到近百分之一度。其他一些类型的传感器经过仔细校准也能达到这一精度水平，但研究人员认为，随着进一步发展，原子具有巨大的潜力。

雷加尔说，与内部部件可能变形的机械设备不同，“原子始终保持不变”。

在将这些微小的 “指南针” 应用到现实世界之前，该团队仍需提高其精度。但研究人员希望，有朝一日，飞机飞行员能够利用原子，如同候鸟利用自身的生物磁传感器一样，根据地球磁场的局部变化实现全球飞行。

“现在的问题是：‘我们能将这些原子系统推进到什么程度？’” 克纳普说。

更多信息：克里斯托弗・基尔等人，《通过微波驱动的拉比频率测量实现精确的矢量光泵磁力仪》，《Optica》（2024 年）。DOI: 10.1364/OPTICA.542502

期刊信息：《Optica》

由科罗拉多大学博尔德分校提供

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