量子磁力仪是一种利用量子效应进行高精度磁场测量的仪器。随着量子技术的进步和应用需求的增长，量子磁力仪在航空航天、地球科学、地质勘探、生物医疗和前沿探索等多个研究领域的重要性日益凸显。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，中国科学院光电技术研究所、电子科技大学、中国科学院大学等机构的研究团队在《中国测试》期刊上发表了题为“量子磁力仪技术研究与应用”的综述文章，介绍了量子磁力仪尤其是基于热原子系综的原子磁力仪的工作原理、性能及前沿应用，梳理了各种量子磁力仪的性能特点、关键技术指标及性能提升方法，并对量子磁力仪的未来发展趋势进行了展望。
量子磁力仪工作原理
量子磁力仪工作通常包括三个物理过程：量子态制备、量子态演化、量子态测量。
（1）量子态制备
量子磁力仪的量子态制备主要是指原子的核自旋或电子自旋极化产生宏观磁矩。主要有电磁极化、光泵极化和极化传递等方法。
图1 ⁸⁷Rb原子D₁线能级结构与原子光泵浦极化过程
图2 脉冲泵浦共振状态下的磁矩演化
（2）量子态演化
量子态在待测磁场中按照特定物理规律演化，显现出特定的量子效应，是磁力仪工作原理的核心，决定了磁力仪的特性。常见的量子效应包括磁共振效应、自旋交换无弛豫、相干布居囚禁、非线性磁光旋转等。
图3 自旋交换无弛豫机制
（3）量子态测量
原子系统的量子态变化通过宏观物理量的变化表现出来，主要包括光吸收率和折射率的变化。量子磁力仪常用的探测方法包括平衡差分探测、吸收探测以及自由感应衰减信号探测等。
技术指标
磁力仪的关键性能指标包括灵敏度、准确度、频谱响应、动态范围和空间分辨率等。各类典型磁力仪的性能指标对比见表1，其中空间分辨率与磁力仪探头的敏感单元尺寸相关。
表1 各类磁力仪性能指标对比
（1）灵敏度
灵敏度被定义为仪器在其噪声水平下能够分辨或测量的最小信号。提高磁力仪灵敏度的关键在于延长自旋极化寿命并减少自旋弛豫时间。因此，减少自旋弛豫机制的影响是提升灵敏度的有效途径。此外，通过增强信号强度、降低磁场噪声以提高信噪比，也是提升灵敏度的重要方法。通常采用磁屏蔽系统来减少磁场噪声，包括主动磁补偿系统和被动磁屏蔽系统。
（2）准确度
准确度是衡量测量结果与真实值之间一致性的程度，反映了测量结果的可靠性。影响准确度的因素主要包括环境漂移和磁力仪航向误差。原子磁共振（AMR）相比核磁共振（NMR）基准具有更高的准确度。由俄罗斯计量院建造的Cs-4He AMR量子基准装置，其准确度可达到0.003 ~ 0.03 nT。中国计量科学研究院也在开展高准确度的铯-氦原子磁力仪研发工作，其准确度已达到0.03 nT。
（3）频谱响应
光泵原子磁力仪在泵浦-探测模式及较强磁场下，带宽通常在50 ~ 500 Hz之间。测量频谱响应带宽取决于采样时间间隔，与灵敏度呈现相互制约的关系。因此，在不牺牲灵敏度的前提下尽可能提高带宽，是磁力仪带宽研究的主要方向。提高带宽的策略包括精确控制脉冲时序、间歇泵浦以及离散采样。
（4）动态范围
动态范围是指磁力仪能够测量的磁场强度范围。质子磁力仪依靠电磁极化检测质子进动信号，弱磁场条件下质子极化不足，信号强度低，无法检测到共振频率。NMOR磁力仪和其它基于磁致旋光效应探测的光泵原子磁力仪，在其动态范围内，偏振面旋转角度与磁场强度呈线性关系。当磁场强度过大时，旋转角偏离线性响应区间，限制了测量上限。SERF磁力仪的工作原理要求原子自旋交换碰撞率远大于拉莫尔进动频率，需要极低的磁场强度（通常<10 nT）来降低拉莫尔频率，仅适合极弱磁场环境。CPT磁力仪依赖激光激发原子共振信号，检测原子塞曼分裂的频率间隔实现测量，其测量下限取决于CPT信号线宽能否分辨塞曼频移宽度，上限由塞曼分裂超出探测范围时信号消失决定。
（5）空间分辨率
在原子磁力仪中，空间分辨率体现了仪器区分不同空间位置的磁场、精确定位并测量磁场空间变化的能力。原子气室作为传感器的敏感单元核心部件，其尺寸决定了探测空间分辨率的大小。利用微纳制造技术，可以将原子气室缩小至立方毫米级别。未来磁力仪研究的重点将是微小气室制造工艺的进一步发展与完善。
应用方向
原子磁力仪广泛应用于航空航天、国防军事、深地探测、工业检测及生物医学等领域，为科学研究和实际应用提供了有力支持。
图4 量子磁力仪性能特点以及对应的应用领域
（1）航空航天
搭载在卫星平台上的精密量子磁力仪加深了人们对地球、行星及星际磁场演化的理解。例如，德国的CHAMP任务使用了质子磁力仪，美欧联合的Cassini-Huygens任务则配备了三轴磁通门磁力仪、矢量氦磁力仪以及标量氦磁力仪，旨在研究土星及其环境。2015年，清华大学成功研制并发射了“纳星2号”，配备了基于MEMS工艺的原子磁力仪。2022年，我国自主研发的CPT原子磁场精密测量系统随空间新技术试验卫星（SATech）升空，推进了我国量子磁力仪的空间应用研究。
（2）国防军事
自1940年代起，磁异常探测系统（MAD）便被应用于反潜定位和目标识别。磁法探测通过磁梯度张量反演，可获取磁异常源的方位和深度信息，在未爆炸物检测中具有独特优势。CPT等量子磁力仪已被证明能够用于未爆炸物探测，显著提升了安全性和效率。此外，磁场探测还可用于磁图导航。我国学者已对地磁辅助导航的实现方法和相关算法进行了深入研究。光泵磁力仪不仅可以应用于地磁导航，还可作为全球卫星导航系统的辅助工具，通过提高磁信号的信噪比，从而增强导航系统精度。
（3）地磁探测
近几十年来，国内外学者持续研究地震与磁异常的关系。2018年，中国成功发射“张衡一号”电磁监测试验卫星，搭载了基于CPT原理的CDSM探头，依托该卫星采集的数据，我国构建了首个全球参考地磁场模型，目前已应用于地震预测研究。此外，基于光泵磁力仪和质子磁力仪的地磁勘探可用于探测金矿、磁铁矿等资源。高灵敏度磁力仪的应用显著提高了探测的深度和精度，使精细勘探深层地质信息成为可能，为地质资源的发现开辟了新的途径。
（4）工业检测
量子磁力仪在工业生产和检测领域也有广泛应用。在电池生产过程中或密封后，内部缺陷难以检测。为实现无损检测，2018年Ilott等人首次将磁共振成像技术应用于锂离子电池。为降低成本，科学家们提出了基于光泵磁力仪的电池检测方法，可在屏蔽环境中测量弛豫电流，用于检测电池缺陷并测量磁化率差异。此外，管道、船舶等结构的材料异常或损伤可能导致严重后果。基于光泵磁力仪的磁成像检测方法，通过脉冲光泵磁力仪阵列可以检测任意电流分布的磁场图。利用双光子技术，还能进一步提高该方法的测量稳定性和信噪比。
（5）生物医学
心磁图通过记录心脏生物电活动产生的磁场变化，可以提供疾病诊断的依据。国外学者早已使用铯光泵磁力仪进行心磁信号的测量，国内首次利用光泵磁力仪测量心磁信号的研究于2017年实现。近年来，学者们提出使用SERF磁力仪、光泵磁力仪等仪器进行心磁图测量，并通过优化算法减小测量误差。脑磁图（MEG）是一种非侵入性的脑电生理活动成像技术。2006年，普林斯顿大学使用SERF原子磁力仪成功测量了脑磁信号。2018年，英国诺丁汉大学开发了一种可穿戴的移动式MEG系统，突破了传统MEG技术的限制。基于光泵磁力仪的MEG技术不仅具有更高的灵敏度和空间分辨率，还支持自由移动，对神经科学研究产生了深远影响。
（6）科学研究
量子磁力仪还广泛应用于物理学和宇宙学研究，例如：寻找暗物质、轴子星和Q球；研究行星及行星际磁场；观察星系中宇宙射线的演变；监测太阳活动及太阳风等。
未来展望
近年来，量子磁力仪正朝着高灵敏度、小型化与集成化、无屏蔽环境下的精密测量、矢量和张量测量的方向不断拓展。当前磁力仪的性能已接近由自旋投影噪声、光子散粒噪声和环境磁场噪声等限制的标准量子极限。压缩光和纠缠光具备低于标准量子极限的噪声特性，结合量子磁力仪有望进一步提升其灵敏度。多通池技术能够有效增强信号强度，而梯度仪的差分测量则能实现共模噪声抑制，助力无屏蔽环境下的精密测量。在小型化和集成化方面，除微纳制造技术外，超表面光学技术突破了传统光学元器件的限制，实现了平面多功能器件的集成，为这一目标提供了新的途径。磁梯度张量能够测量磁场矢量分量的梯度，在磁异常体的空间定位及边界勾勒等物性反演领域具有独特优势，利用原子磁力仪实现磁梯度张量测量是未来亟待突破的关键技术。
多学科的交叉为量子磁力仪的发展提供了新的思路，例如将机器学习和矢量光场调控技术与量子磁力仪相结合。可以预见，随着量子技术的不断发展和完善，量子磁力仪将逐步替代传统磁力仪，在国民经济、国家安全和医药实验等领域发挥更重要的作用。
论文信息：
DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2024090084
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