皮特斯拉靈敏度微腔光力磁力儀

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】微腔光力磁力儀因其小型化、低功耗、易片上集成、常溫工作、靈敏度高與帶寬大等潛在優(yōu)勢(shì)，近年來吸引了廣泛的研究興趣。前期工作中，研究人員通過將磁致伸縮材料鋱鏑鐵(FeTbDy)薄膜與高品質(zhì)因子光學(xué)微腔結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了可批量制備的微腔光力磁力儀。然而，實(shí)現(xiàn)的靈敏度較差，較大的限制其應(yīng)用場(chǎng)景。如何制備出高靈敏、可批量制備的微腔光力磁力儀成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
 

　　為提升可批量制備的微腔光力磁力儀的靈敏度，近期來自中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的李貝貝研究員團(tuán)隊(duì)通過將FeTbDy材料替換為磁致伸縮性能更好的FeGaB材料(圖 a-c)，將可批量制備的微腔磁力儀的靈敏度提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，達(dá)到1.68 pT/Hz1/2(圖 d)。該磁力儀靈敏度的顯著提升主要?dú)w因于FeGaB材料在單位磁場(chǎng)下的磁致伸縮應(yīng)變更大，因此對(duì)微弱磁場(chǎng)具有更高的靈敏度。同時(shí)，F(xiàn)eGaB具有更好的軟磁性，因此無需偏置磁場(chǎng)即可達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)。此外，該工作采用了微盤腔結(jié)構(gòu)，相比于前人工作中的微芯圓環(huán)腔具有更好的可重復(fù)性和批量制備能力。這一突破性進(jìn)展為可批量生產(chǎn)的高性能微腔光力磁力儀的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。為進(jìn)一步探索該微腔光力磁力儀在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，該研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中模擬了高壓輸電線中產(chǎn)生的電暈電流信號(hào)，并利用研制的微腔磁力儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)電暈電流產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量(圖 e-g)。該研究結(jié)果表明，微腔光力磁力儀有望應(yīng)用于實(shí)際的電暈電流監(jiān)測(cè)，對(duì)高壓輸電線的電暈放電機(jī)理進(jìn)行分析，并為高壓輸電線的設(shè)計(jì)和架構(gòu)提供指導(dǎo)。
 

　　本研究工作通過對(duì)磁致伸縮材料的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了微腔光力磁力儀靈敏度的大幅提升。基于這一優(yōu)異的磁場(chǎng)探測(cè)能力，微腔光力磁力儀未來有望應(yīng)用于電暈電流的監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景。進(jìn)而通過微加工技術(shù)可在同一個(gè)芯片上制備微腔光力磁力儀陣列，并通過與微腔光梳光源相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)并行探測(cè)，未來有望應(yīng)用于磁感應(yīng)層析等磁成像領(lǐng)域。
 

　　本工作受到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、中國科學(xué)院項(xiàng)目等的資助。中國科學(xué)院物理研究所李貝貝研究員、蔡建旺研究員、劉永昌特聘研究員為通訊作者，博士生胡志剛、高藝萌、劉健飛為共同第一作者。相關(guān)成果以“Picotesla-sensitivity microcavity optomechanical magnetometry”為題，于2024年9月29日發(fā)表在Light：science & applications. 13, 279 (2024)。
 

　　圖 微腔光力磁力儀的原理示意、實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖。a，微腔光力磁力儀的結(jié)構(gòu)示意圖；b-c，微腔光力磁力儀的掃描電鏡顯微圖和光學(xué)顯微圖；d，微腔光力磁力儀對(duì)不同頻率磁場(chǎng)的靈敏度；e，通過探測(cè)磁場(chǎng)的方式去監(jiān)測(cè)電暈電流的示意圖；f，使用函數(shù)發(fā)生器模擬產(chǎn)生的電暈電流信號(hào)；g，微腔磁力儀對(duì)電暈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的響應(yīng)。