【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，山東大學(xué)物理學(xué)院饒金威教授和柏利慧教授在超高靈敏磁場探測領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)首次將微分幾何中尖點(diǎn)(Cusp Point, CP)的概念引入到磁子學(xué)領(lǐng)域，成功研制出了一種基于光磁同步模式(Photon–Magnon Synchronization Mode, PMSM)尖點(diǎn)的新型磁力計(jì)。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的磁力計(jì)，可在室溫下工作，磁場響應(yīng)率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)自旋共振磁力計(jì)，為發(fā)展高性能磁測量技術(shù)提供了全新的解決方案。
 

　　該成果以“Ultrasensitive Magnetometer based on Cusp Points of the Photon-Magnon Synchronization Mode”為題，在線發(fā)表于《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)。這項(xiàng)研究成果由山東大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所等單位共同完成。論文的第一作者是山東大學(xué)博士生米鋅林，通訊作者是山東大學(xué)饒金威教授和柏利慧教授。
 

　　磁信號廣泛存在于自然環(huán)境和人工系統(tǒng)中，發(fā)展磁場靈敏探測技術(shù)對于推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)研究、資源勘探、國防安全及工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有重要意義。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對極弱磁場的探測是揭示微觀生命活動(dòng)機(jī)制的重要手段。例如，在繪制腦磁圖和心磁圖時(shí)，需要檢測由神經(jīng)元或心肌細(xì)胞電活動(dòng)產(chǎn)生、強(qiáng)度低至數(shù)百至數(shù)十飛特斯拉(fT)的磁場，從而實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)的腦功能成像和心臟疾病早期診斷。在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域，磁場探測是搜索超越標(biāo)準(zhǔn)模型新物理(如軸子等暗物質(zhì)候選粒子)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)手段。此外，在凝聚態(tài)物理研究中，材料中的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)、自旋超流等新奇物態(tài)也需要通過其磁信號進(jìn)行表征。
 

　　傳統(tǒng)基于自旋共振的磁力計(jì)對磁場的響應(yīng)率，受限于電子的固有磁旋比(約為28 GH/T)難以提升。研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用增益諧振腔中光子模式與釔鐵石榴石中磁子模式之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)，制備了一種兼具超窄共振線寬和高磁場響應(yīng)率的光磁同步模式。該模式在特定參數(shù)組合下，會在參數(shù)空間中產(chǎn)生“尖點(diǎn)”這一特殊現(xiàn)象。理論上，光磁同步模式在尖點(diǎn)處的磁場響應(yīng)率是無窮大。此時(shí)，磁場的微小變化都會引起同步模式的顯著頻率偏移。目前該磁力計(jì)的靈敏度已達(dá)到258?fT/√Hz，且輻射譜線寬可壓縮至0.06?Hz，具備極其優(yōu)異的磁場探測能力。
 

　　這項(xiàng)創(chuàng)新性研究驗(yàn)證了一種發(fā)展高性能磁力計(jì)的新原理，首次將‘尖點(diǎn)’概念引入磁子學(xué)研究，并展示了其在磁探測中的重要價(jià)值。相對于其他磁力計(jì)，我們的磁力計(jì)在室溫下運(yùn)行，無需低溫或真空環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易集成，通過進(jìn)一步抑制電路噪聲、電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)，其靈敏度有望媲美當(dāng)前最先進(jìn)的磁力計(jì)，為科學(xué)研究和工業(yè)檢測提供新一代高靈敏度磁探測工具。
 

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用增益諧振腔的倍頻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了類似于頻域“游標(biāo)卡尺”的放大機(jī)制。在這個(gè)過程中，基模的微小頻移會被高階振蕩模式成倍放大中M1的頻移，即紫色實(shí)線相對于虛線的差值，被六階模放大了6倍)，從而大幅提高探測器的磁場響應(yīng)率。在我們的實(shí)驗(yàn)中，光磁同步模式基模的磁場響應(yīng)率相比于自旋共振提升了37倍。通過利用第六階振蕩模式，探測器的磁場響應(yīng)率被進(jìn)一步放大至236倍電子旋磁比。這相當(dāng)于同樣的磁場變化，我們探測器的頻率偏移是傳統(tǒng)電子自旋共振的236倍。
 

　　該項(xiàng)目得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金，山東省自然科學(xué)基金，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金，山東省泰山青年學(xué)者項(xiàng)目的資助。