清華大學物理系劉永椿研究組在磁場精密測量研究方面取得新進展

　　【儀表網 研發快訊】近日，清華大學物理系劉永椿研究組實現了基于磁致伸縮法布里-珀羅腔光力系統的高靈敏度磁力計，測磁靈敏度達到亞皮特量級，可在室溫條件和地磁場環境下工作。
 

　　高靈敏度磁測量技術不僅在基礎物理研究方面有重要意義，而且在國防安全、資源勘探、太空探索、工業檢測、醫學診斷等多個領域都具有廣泛的應用前景。目前，盡管有多種類型的磁場測量方法，但同時實現高靈敏度、室溫條件工作和地磁場環境工作仍然是極大的挑戰。
 

　　該研究工作提出了基于磁致伸縮法布里-珀羅腔光力系統的高靈敏度磁場測量方法，通過設計支持缺口擺動機械模式的磁致伸縮腔光力系統，結合光學共振和機械共振增強特性，實現了對磁場的靈敏響應，測磁靈敏度達到620 fT/Hz1/2。這是國際上靈敏度最高的腔光力磁力計，且該系統具有能夠在室溫條件和地磁場環境下工作的優點。目前，系統靈敏度仍受限于電子學噪聲，而由系統熱噪聲所限制的靈敏度極限為5.9 fT/Hz1/2，后續通過進一步優化，系統靈敏度有望達到該熱噪聲極限。
 

圖1.具備磁致伸縮效應的法布里-珀羅腔光力系統原理圖和實驗光路圖
 

圖2.噪聲功率譜密度、系統響應和磁力計靈敏度測量結果圖
 

　　研究所設計的磁致伸縮法布里-珀羅腔光力系統如圖1所示。系統使用磁致伸縮材料合金(Terfenol-D)作為光學腔主體部分，腔體兩側各有一面高反射率平凹反射鏡，形成高精細度法布里-珀羅光學腔。如果外磁場發生變化，磁致伸縮效應將使光學腔腔長發生變化，進而使光學腔共振頻率發生變化。利用Pound-Drever-Hall(PDH)鎖頻技術，通過將激光輸出頻率鎖定到光學腔共振頻率上，即可通過PDH誤差信號測出共振頻率的變化。為了實現對磁場的靈敏響應，在光學腔腔體結構中使用了特殊的缺口設計，通過引入缺口使系統出現“缺口擺動機械模式”。該機械模式具有低共振頻率和高品質因子等優點，可以極大地實現對磁場響應的共振增強(圖2)。
 

　　研究成果為室溫條件和地磁場環境下的高靈敏度磁場測量提供了重要方法，在國防安全、資源勘探等領域展現出廣闊的應用前景。
 

　　相關研究成果以“亞皮特光力磁測量”(Subpicotesla Optomechanical Magnetometry)為題，于10月10日發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
 

　　清華大學物理系副教授劉永椿為論文通訊作者，物理系2023屆博士畢業生許安寧(現為山東大學博士后)、2021屆博士畢業生李奕璠(現為法國巴黎高等師范學院博士后)、2017屆碩士畢業生李相良(現為北京量子信息科學研究院助理研究員)為論文共同第一作者。論文合作者還包括山東大學副研究員劉貝，清華大學物理系教授尤力為該工作提供了指導。研究得到科技部國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金委面上項目、廣東省重點領域研發計劃項目、清華大學低維量子物理國家重點實驗室、量子信息前沿科學中心的資助。