藝術(shù)家描繪的一種通過向含有約 1000 億個銣原子的氣室發(fā)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(xué)博爾德分校的一個物理學(xué)家與工程師團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)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(tuán)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(shè)備，到幫助飛機(jī)全球?qū)Ш降难b置等。這項新研究發(fā)表在《Optica》雜志上，源于物理學(xué)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(xué)教授，同時也是 JILA（由科羅拉多大學(xué)博爾德分校與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院聯(lián)合設(shè)立的研究機(jī)構(gòu)）的研究員。她表示，這揭示了被捕獲為蒸汽狀態(tài)的原子的多種用途。

“原子能夠傳達(dá)很多信息，” 她說，“我們對其進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shí)無處不在。例如，地球富含鐵的地核會產(chǎn)生一個強(qiáng)大的磁場，環(huán)繞著整個星球。每當(dāng)神經(jīng)元放電時，你的大腦也會發(fā)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(zhàn)性。在當(dāng)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(tài)銣原子的小氣室。研究人員向氣室施加磁場，使內(nèi)部的原子發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。然后，他們使用激光精確測量這些轉(zhuǎn)移。

“你可以把每個原子想象成一根指南針指針，” JILA 雷加爾實(shí)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(shè)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(huán)境的目標(biāo)。

“磁性成像讓我們能夠測量那些隱藏在密集且不透明結(jié)構(gòu)中的源頭，” 保羅・M・雷迪機(jī)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(nèi)，大腦中。”

例如，2017 年，克納普與人共同創(chuàng)立了 FieldLine 公司，該公司生產(chǎn)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(jìn)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(huán)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(qiáng)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(jīng)疾病可能發(fā)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(jìn)行校準(zhǔn)，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(shù)據(jù)，來評估傳感器的響應(yīng)情況。在大多數(shù)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(tuán)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(fā)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(nóng)。

原子指引方向

雷加爾解釋說，原子的行為有點(diǎn)像微小的磁體。如果你用微波信號轟擊團(tuán)隊研究的其中一個原子，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會擺動 —— 這種原子 “舞蹈” 能為物理學(xué)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(jīng)歷的能量轉(zhuǎn)移強(qiáng)度，進(jìn)而讓我們了解磁場的方向，” 雷加爾說。

在當(dāng)前的研究中，該團(tuán)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(jīng)過仔細(xì)校準(zhǔn)也能達(dá)到這一精度水平，但研究人員認(rèn)為，隨著進(jìn)一步發(fā)展，原子具有巨大的潛力。

雷加爾說，與內(nèi)部部件可能變形的機(jī)械設(shè)備不同，“原子始終保持不變”。

在將這些微小的 “指南針” 應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界之前，該團(tuán)隊仍需提高其精度。但研究人員希望，有朝一日，飛機(jī)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(jù)地球磁場的局部變化實(shí)現(xiàn)全球飛行。

“現(xiàn)在的問題是：‘我們能將這些原子系統(tǒng)推進(jìn)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(qū)動的拉比頻率測量實(shí)現(xiàn)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(xué)博爾德分校提供