磁場(chǎng)探測(cè)是量子傳感領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用潛力和重要的戰(zhàn)略價(jià)值。在工業(yè)領(lǐng)域，磁場(chǎng)測(cè)量可實(shí)現(xiàn)基于電磁感應(yīng)的無(wú)損探傷，在不影響檢測(cè)對(duì)象的前提下，對(duì)材料、零件、設(shè)備中的缺陷進(jìn)行定位和定量檢測(cè)，避免隱藏缺陷可能會(huì)構(gòu)成重大的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障工業(yè)生產(chǎn)的安全。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，磁場(chǎng)探測(cè)可用于核磁共振信號(hào)的檢測(cè)，提升核磁共振成像的分辨率和檢測(cè)精度，為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的進(jìn)步提供新的途徑。此外，在國(guó)防安全領(lǐng)域，磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)能夠用于水下磁通信，大幅延長(zhǎng)通信距離，提升隱蔽通信能力，基于磁場(chǎng)探測(cè)的核四極矩共振技術(shù)還可精準(zhǔn)檢測(cè)爆炸物、毒品等違禁物品，增強(qiáng)我國(guó)的安防和反恐能力。
 

　　傳統(tǒng)的磁感應(yīng)線圈式磁傳感器在低頻時(shí)受限于電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)信號(hào)減小導(dǎo)致靈敏度降低。而原子磁傳感器則不受限于電磁感應(yīng)定律，在低頻處能夠突破磁感應(yīng)線圈的熱噪聲極限，實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度，同時(shí)其還具備小型化和可室溫工作等優(yōu)勢(shì)。然而，射頻原子磁傳感器通常采用的磁共振方案需要施加偏置磁場(chǎng)以產(chǎn)生磁共振信號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致原子自旋間的自旋交換碰撞弛豫成為限制射頻原子磁傳感器靈敏度進(jìn)一步提升的主要難題。
 

　　近日，北京大學(xué)電子學(xué)院郭弘教授課題組提出了一種基于參數(shù)共振的新型射頻原子磁傳感器。該方案通過(guò)利用脈沖磁場(chǎng)對(duì)原子自旋進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生參數(shù)共振現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的射頻磁場(chǎng)測(cè)量(如圖1所示)。與傳統(tǒng)的磁共振方案相比，參數(shù)共振方案無(wú)需施加額外的偏置磁場(chǎng)以產(chǎn)生與待測(cè)射頻場(chǎng)共振的拉莫進(jìn)動(dòng)頻率信號(hào)，從而避免了磁共振方案中由偏置磁場(chǎng)引起的自旋交換碰撞弛豫問(wèn)題，解決了射頻原子磁傳感器中信號(hào)線寬展寬的問(wèn)題。在相同的實(shí)驗(yàn)裝置下，參數(shù)共振方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的磁傳感器靈敏度的提升，在小型銣87原子中實(shí)現(xiàn)了噪聲水平低至2 fT/Hz1/2的高靈敏度射頻原子磁傳感器(如圖2所示)。這一研究成果為射頻原子磁傳感器的高靈敏度測(cè)量提供了新的技術(shù)途徑，為磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)療成像和國(guó)防安全等領(lǐng)域提供了更為廣闊的應(yīng)用前景。
 

　　相關(guān)研究成果以“Radio-Frequency Magnetometry Based on Parametric Resonances”為題，于2024年8月27日以封面文章的形式在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》 ( Physical Review Letters ，第133卷，文章號(hào)093201)。北京大學(xué)電子學(xué)院博雅博士后肖偉為論文第一作者，郭弘與電子學(xué)院吳騰研究員為論文共同通訊作者，其他論文作者包括北京大學(xué)電子學(xué)院彭翔長(zhǎng)聘副教授、2021級(jí)博士研究生劉曦嶼。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(H863計(jì)劃)等項(xiàng)目支持。