清華新聞網(wǎng)10月21日電 近日，清華大學(xué)物理系劉永椿研究組實(shí)現(xiàn)了基于磁致伸縮法布里-珀羅腔光力系統(tǒng)的高靈敏度磁力計(jì)，測(cè)磁靈敏度達(dá)到亞皮特量級(jí)，可在室溫條件和地磁場(chǎng)環(huán)境下工作。
高靈敏度磁測(cè)量技術(shù)不僅在基礎(chǔ)物理研究方面有重要意義，而且在國(guó)防安全、資源勘探、太空探索、工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等多個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，盡管有多種類型的磁場(chǎng)測(cè)量方法，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、室溫條件工作和地磁場(chǎng)環(huán)境工作仍然是極大的挑戰(zhàn)。
該研究工作提出了基于磁致伸縮法布里-珀羅腔光力系統(tǒng)的高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量方法，通過設(shè)計(jì)支持缺口擺動(dòng)機(jī)械模式的磁致伸縮腔光力系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)共振和機(jī)械共振增強(qiáng)特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)的靈敏響應(yīng)，測(cè)磁靈敏度達(dá)到620 fT/Hz1/2。這是國(guó)際上靈敏度最高的腔光力磁力計(jì)，且該系統(tǒng)具有能夠在室溫條件和地磁場(chǎng)環(huán)境下工作的優(yōu)點(diǎn)。目前，系統(tǒng)靈敏度仍受限于電子學(xué)噪聲，而由系統(tǒng)熱噪聲所限制的靈敏度極限為5.9 fT/Hz1/2，后續(xù)通過進(jìn)一步優(yōu)化，系統(tǒng)靈敏度有望達(dá)到該熱噪聲極限。
圖1.具備磁致伸縮效應(yīng)的法布里-珀羅腔光力系統(tǒng)原理圖和實(shí)驗(yàn)光路圖
圖2.噪聲功率譜密度、系統(tǒng)響應(yīng)和磁力計(jì)靈敏度測(cè)量結(jié)果圖
研究所設(shè)計(jì)的磁致伸縮法布里-珀羅腔光力系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)使用磁致伸縮材料合金（Terfenol-D）作為光學(xué)腔主體部分，腔體兩側(cè)各有一面高反射率平凹反射鏡，形成高精細(xì)度法布里-珀羅光學(xué)腔。如果外磁場(chǎng)發(fā)生變化，磁致伸縮效應(yīng)將使光學(xué)腔腔長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而使光學(xué)腔共振頻率發(fā)生變化。利用Pound-Drever-Hall（PDH）鎖頻技術(shù)，通過將激光輸出頻率鎖定到光學(xué)腔共振頻率上，即可通過PDH誤差信號(hào)測(cè)出共振頻率的變化。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的靈敏響應(yīng)，在光學(xué)腔腔體結(jié)構(gòu)中使用了特殊的缺口設(shè)計(jì)，通過引入缺口使系統(tǒng)出現(xiàn)“缺口擺動(dòng)機(jī)械模式”。該機(jī)械模式具有低共振頻率和高品質(zhì)因子等優(yōu)點(diǎn)，可以極大地實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的共振增強(qiáng)（圖2）。
研究成果為室溫條件和地磁場(chǎng)環(huán)境下的高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量提供了重要方法，在國(guó)防安全、資源勘探等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)研究成果以“亞皮特光力磁測(cè)量”（Subpicotesla Optomechanical Magnetometry）為題，于10月10日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
清華大學(xué)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(yè)生許安寧（現(xiàn)為山東大學(xué)博士后）、2021屆博士畢業(yè)生李奕璠（現(xiàn)為法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院博士后）、2017屆碩士畢業(yè)生李相良（現(xiàn)為北京量子信息科學(xué)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(xué)副研究員劉貝，清華大學(xué)物理系教授尤力為該工作提供了指導(dǎo)。研究得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心的資助。
論文鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.153601
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
