李建軍， 王學鋒， 王 巍， 鄧意成

（1.中國航天科技集團有限公司量子工程研究中心,北京100094;2.中國航天科技集團有限公司,北京100048;3.北京航天控制儀器研究所,北京100039）

0 引言

無自旋交換弛豫（Spin-exchange Relaxation-free,SERF）磁力儀是基于原子自旋SERF態(tài)效應利用光探測磁共振方法實現(xiàn)弱磁場精密測量的磁傳感器,SERF態(tài)效應為壓窄原子磁共振線寬實現(xiàn)超高靈敏度原子磁力儀提供了一種新途徑。1973年,美國哥倫比亞大學教授Happer和Tang在實驗中首次發(fā)現(xiàn)了高原子數密度和低磁場環(huán)境下的原子系統(tǒng)SERF態(tài)效應[1]。 1977年,Happer和Tam從理論上解釋了SERF態(tài)的物理機理[2]。SERF原子磁力儀具有的超高靈敏度、小體積和低功耗等優(yōu)點使其在空間磁場探測[3]、 基礎物理研究[4]和生物醫(yī)學[5-6]等領域具有重要應用價值。2010年,SERF原子磁力儀已實現(xiàn)0.16fT/Hz1/2的測量靈敏度,超越了超導量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Device,SQUID）,是目前世界上靈敏度最高的磁力儀[7]。近二十年來,SERF原子磁力儀吸引了國內外諸多研究小組的廣泛關注,已成為精密磁場測量研究領域的熱點之一。

1 基本原理

原子自旋交換是指兩個堿金屬原子在碰撞過程中由于電子強耦合作用導致原子在超精細能級布居數的變化,是影響原子自旋弛豫最為關鍵的因素[8]。然而,在高原子數密度和低磁場條件下,堿金屬原子的自旋交換碰撞頻率遠大于原子的Larmor進動頻率時,原子的自旋分布會維持穩(wěn)定狀態(tài),保證了原子系統(tǒng)的相干性,系統(tǒng)進入SERF態(tài)。

經典SERF原子磁力儀的原理裝置如圖1所示,其核心是充有堿金屬原子和緩沖氣體（He、N2）的原子氣室。一束與堿金屬原子D1線共振的泵浦激光經過準直透鏡和1/4波片將線偏振光轉變?yōu)閳A偏振光,用于極化堿金屬原子自旋。當存在外磁場By時,原子磁矩繞著磁場做Larmor進動。一束與泵浦激光方向垂直的線偏振探測光通過原子氣室,經過偏振分束棱鏡分為s光和p光,分別由光電探測器接收。然后,通過差分放大電路檢測探測光偏振面的偏轉角度,實現(xiàn)磁場的精密測量。另外,無磁電加熱片用于提高原子氣室溫度,增加原子數密度；三維磁場線圈用于補償原子磁力儀環(huán)境剩余磁場,磁屏蔽筒用于屏蔽外界地磁場對原子自旋的影響。

圖1 SERF原子磁力儀原理裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SERF atomic magnetometer

考慮原子系統(tǒng)激光泵浦極化、磁致進動和自旋弛豫三種物理過程,可以利用Bloch方程描述SERF態(tài)原子自旋演化過程[9]

由量子力學測不準原理,SERF原子磁力儀的極限靈敏度為

式（3）中,n為堿金屬原子數密度,γ為原子旋磁比,T2為橫向弛豫時間,V為原子氣室體積,t為測量時間[10]。如采用體積為7cm3、工作溫度為190℃的鉀原子氣室,SERF原子磁力儀的理論極限靈敏度可達到 2×10－18T/Hz1/2[11]。

2 國內外研究進展

2.1 國外研究進展

2002年,美國普林斯頓大學的Romalis等首次將SERF態(tài)效應應用于光學原子磁力儀,達到了在高原子數密度條件下的原子自旋極化信號增強,而磁共振線寬不增加的效果實現(xiàn)了靈敏度為10fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀[11]。圖2為美國普林斯頓大學的SERF原子磁力儀實驗裝置。2010年,該小組將鉀原子氣室溫度加熱至200℃,其靈敏度提升至0.16fT/Hz1/2,達到世界領先水平[7]。此外,為了擺脫磁屏蔽筒帶來的約束,Romalis等通過零交叉磁場調制主動補償控制技術有效壓制了環(huán)境剩余磁場,在無磁屏蔽筒環(huán)境下實現(xiàn)了靈敏度達到1pT/Hz1/2的三軸矢量SERF原子磁力儀[12]。

圖2 美國普林斯頓大學的SERF原子磁力儀實驗裝置圖Fig.2 Experiment platform of SERF atomic magnetometer developed by Princeton University

2008年,美國加州大學伯克利分校的Budker等研制成功了基于銫原子的SERF磁力儀,靈敏度達到40fT/Hz1/2,并在理論上進一步指出通過優(yōu)化其靈敏度可達到 0.2fT/Hz1/2[13]。 2010年, 美國國家標準與技術研究院利用微機電（MEMS）系統(tǒng)技術研制了雙腔原子氣室,實現(xiàn)了靈敏度為5fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀[14]。此外,該小組還致力于SERF原子磁力儀的小型化和低功耗研究[15-16]。

近年來,SERF原子磁力儀已經逐步實現(xiàn)商業(yè)化,如美國的QuSpin公司和Twinleaf公司已經開始出售高性能的SERF原子磁力儀。2017年和2018年,QuSpin公司分別研制出靈敏度優(yōu)于15fT/Hz1/2的第一代和靈敏度為7fT/Hz1/2～10fT/Hz1/2的第二代SERF原子磁力儀產品,其中第二代探頭體積為12.4mm×16.6mm×24.4mm,如圖3所示。

圖3 美國QuSpin公司的第一代和第二代SERF原子磁力儀產品Fig.3 First and second generation product of SERF atomic magnetometer developed by QuSpin Company

2.2 國內研究進展

在國內,SERF原子磁力儀的研究起步較晚。2020年,北京航空航天大學突破了高壓抗弛豫堿金屬氣室、高性能低噪聲磁屏蔽與磁補償、原子自旋精密極化與檢測等關鍵技術,實現(xiàn)了基于鉀原子自旋SERF效應的超高靈敏度磁場測量平臺,磁場靈敏度達到 0.089fT/Hz1/2（30Hz ～39Hz）, 測量平臺如圖4所示[17]。

圖4 北京航空航天大學的SERF原子磁力儀研究平臺Fig.4 Research platform of SERF atomic magnetometer developed by Beijing University of Aeronautics and Astronautics

2016年,中國科學院物理研究所成功搭建了基于鉀原子的SERF原子磁力儀裝置,靈敏度為8fT/Hz1/2[18]。 2019年, 該單位利用熱管導熱方式加熱鉀原子氣室,實現(xiàn)了靈敏度優(yōu)于6fT/Hz1/2的小型化四通道SERF原子磁力儀,如圖5所示[19]。

圖5 中科院物理所的小型化四通道SERF原子磁力儀探頭Fig.5 Diagram of SERF atomic magnetometer sensor head developed by Institute of Physics,CAS

2017年,北京自動化控制設備研究所基于銫原子氣室,利用泵浦光-探測光垂直結構實現(xiàn)了探頭體積為2.5cm×2.7cm×15cm、靈敏度為10fT/Hz1/2的小型化SERF原子磁力儀,如圖6所示[20]。

圖6 北京自動化控制設備研究所的SERF原子磁力儀探頭Fig.6 Diagram of SERF atomic magnetometer sensor head developed by Beijing Automation Control Equipment Institute

2019年,北京航天控制儀器研究所突破了長弛豫時間原子氣室、高精密磁補償、原子氣室無磁加熱以及小型化探頭無磁封裝等關鍵技術,成功研制出了探頭體積為55cm3、靈敏度為50fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀原理樣機,如圖7所示。

圖7 北京航天控制儀器研究所SERF原子磁力儀原理樣機Fig.7 Diagram of SERF atomic magnetometer principle prototype developed by Beijing Institute of Aerospace Control Devices

3 關鍵技術

制約SERF原子磁力儀靈敏度的主要因素包括堿金屬原子弛豫時間和環(huán)境磁場等,關鍵技術主要包括長弛豫時間原子氣室制備、原子氣室無磁加熱和高精密動態(tài)磁補償等。

3.1 長弛豫時間原子氣室制備技術

原子氣室是原子自旋極化、自旋弛豫和磁致進動等物理過程的發(fā)生場所,是SERF原子磁力儀的核心部件。原子自旋弛豫時間直接決定SERF原子磁力儀的靈敏度等指標,提高氣室中原子自旋弛豫時間的常用方法有兩種:充入緩沖氣體和氣室內壁鍍膜[21]。緩沖氣體能夠降低原子與氣室內壁的碰撞,提升原子自旋弛豫時間。同時,堿金屬原子也會與緩沖氣體產生自旋碰撞等弛豫過程。所以,原子氣室的精確充制是氣室制備中的一項技術難題。原子氣室鍍膜可以有效減緩原子與內壁的碰撞,抑制極化原子的退極化過程,并且不會造成氣壓增大而產生的原子吸收譜線展寬,有利于低光功率下實現(xiàn)原子的高效極化,鍍膜材料和鍍膜工藝是長時間弛豫時間原子氣室制備的研究重點。此外,原子氣室材料與堿金屬原子會產生一定的物理、化學作用,其耐堿性是影響原子氣室長期性能穩(wěn)定性的重要因素。

3.2 原子氣室無磁加熱技術

為消除原子自旋交換碰撞弛豫機制,需將原子氣室加熱至100℃以上獲得高密度堿金屬蒸氣,保證原子自旋交換速率遠大于原子自旋Larmor進動頻率。在SERF原子磁力儀研究初期,熱氣流加熱[13,22]和間斷式電加熱[14]是普遍使用的無磁加熱方式。但是,熱氣流加熱存在功耗高、加熱速度慢、溫度控制精度低以及間斷式電加熱存在溫度穩(wěn)定性差、易產生溫度梯度等缺點,不符合小型化超高靈敏度SERF原子磁力儀的發(fā)展趨勢。而連續(xù)電加熱結構簡單、體積小,但是加熱過程中會引入磁場噪音。通過設計對稱結構,加熱片可以顯著降低加熱磁場對原子自旋磁矩進動的影響。同時,由于原子自旋進動頻率在百赫茲量級,高頻加熱信號對其幾乎沒有影響。因此,利用電熱絲對稱形式設計小型無磁加熱片、采用高頻連續(xù)加熱方法實現(xiàn)原子氣室溫度穩(wěn)定控制是SERF原子磁力儀的關鍵技術之一。

3.3 高精密動態(tài)磁補償技術

零磁場環(huán)境是原子系統(tǒng)進入SERF態(tài)的另一個關鍵因素。環(huán)境剩余磁場和梯度磁場直接影響原子自旋弛豫時間,影響SERF原子磁力儀的靈敏度。通常,采用坡莫合金（鎳含量在35%～90%的鐵鎳合金）對地磁場進行被動屏蔽,將磁屏蔽筒剩磁降低至10nT左右,通過設計高精密電源和制備正交線圈對磁屏蔽筒內的剩磁進一步主動補償。此外,為擺脫原子磁力儀在非屏蔽環(huán)境下的使用限制,需采用磁場反饋補償方式,利用外加磁場抵消環(huán)境磁場,使原子氣室工作于零磁場附近,實現(xiàn)三軸磁場的閉環(huán)輸出[23]。2004年,美國普林斯頓大學基于高精密磁場補償反饋技術在X-Z方向產生交叉調制磁場,實現(xiàn)了非屏蔽環(huán)境下的三軸矢量SERF原子磁力儀[12]。

4 發(fā)展趨勢

作為國內外磁場精密測量技術的研究熱點,近二十年來,SERF原子磁力儀取得了長足的發(fā)展,其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1）在工作介質方面,SERF原子磁力儀向基于堿金屬鉀原子的超靈敏度SERF磁力儀發(fā)展。相比于其他堿金屬原子（銣和銫）,鉀原子與緩沖氣體（He或N2）的自旋破壞碰撞截面小1～2個數量級,具有更窄的原子磁共振線寬,在靈敏度和測量精度上更具優(yōu)勢[24]。

2）在工程應用方面,SERF原子磁力儀向非磁屏蔽環(huán)境下的三軸SERF原子磁力儀發(fā)展?？紤]原子工作在SERF態(tài)時需滿足極弱磁環(huán)境條件,通過磁場閉環(huán)控制技術,利用外加磁場抵消環(huán)境磁場,保證原子氣室處于零磁場附近,同時通過反饋信號測量外界磁場三軸分量[23]。非磁屏蔽環(huán)境下的原子磁力儀研制突破了零磁場局限,能夠滿足空間磁場探測需求。

3）SERF原子磁力儀正朝著小型化、超高靈敏方向發(fā)展。目前,國內的SERF原子磁力儀還處于原理樣機研制階段,探頭工作壽命和穩(wěn)定性是面臨的主要問題,需要從根本上解決微型長弛豫時間原子氣室制備、激光穩(wěn)頻控制、磁補償精密控制以及探頭小型化無磁封裝等技術難題。

5 應用前景

SERF原子磁力儀在生物醫(yī)學和基礎物理研究、空間磁場探測等領域具有重要應用前景。

SERF原子磁力儀成本低、靈敏度高、體積小、功耗低以及便于維護,有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)SQUID腦磁圖儀為研究大腦工作原理提供豐富的信息,是腦機接口和人工智能研究領域最有潛力的技術手段。2018年,英國諾丁漢大學研制成功了基于SERF原子磁力儀的可穿戴式腦磁圖原型機,能實現(xiàn)自由移動腦磁信號探測,如圖8所示[6]。

圖8 英國諾丁漢大學基于SERF原子磁力儀的腦磁圖原型機Fig.8 Diagram of magnetoencephalogram prototype based on SERF atomic magnetometer developed by University of Nottingham

其次,三軸矢量SERF原子磁力儀有望應用于地磁臺站監(jiān)測和空間磁探測[25]。相比于磁通門三軸矢量磁力儀,矢量原子磁力儀具有更好的穩(wěn)定性和精確度,并具有三軸測量位置重合等優(yōu)點。后續(xù),通過對半導體激光二極管和微型原子腔等技術的集成應用,有望實現(xiàn)技術指標優(yōu)于磁通門的三軸矢量SERF原子磁力儀。

6 結論

SERF原子磁力儀是一種能兼顧超高靈敏度和小體積的磁場精密測量儀器。本文介紹了SERF原子磁力儀的基本原理和國內外研究進展,重點歸納和討論了長弛豫時間原子氣室、原子氣室無磁加熱和高動態(tài)磁補償等關鍵技術,并從工作介質和工程應用等方面對其發(fā)展趨勢進行了分析,最后對SERF原子磁力儀在生物醫(yī)學和空間磁探測等領域的應用前景進行了展望。