【儀表網 研發快訊】磁場探測是量子傳感領域的關鍵技術，具有廣泛的應用潛力和重要的戰略價值。在工業領域，磁場測量可實現基于電磁感應的無損探傷，在不影響檢測對象的前提下，對材料、零件、設備中的缺陷進行定位和定量檢測，避免隱藏缺陷可能會構成重大的安全風險，保障工業生產的安全。在生物醫療領域，磁場探測可用于核磁共振信號的檢測，提升核磁共振成像的分辨率和檢測精度，為醫學影像技術的進步提供新的途徑。此外，在國防安全領域，磁場探測技術能夠用于水下磁通信，大幅延長通信距離，提升隱蔽通信能力，基于磁場探測的核四極矩共振技術還可精準檢測爆炸物、毒品等違禁物品，增強我國的安防和反恐能力。
傳統的磁感應線圈式磁傳感器在低頻時受限于電磁感應定律，感應信號減小導致靈敏度降低。而原子磁傳感器則不受限于電磁感應定律，在低頻處能夠突破磁感應線圈的熱噪聲極限，實現更高的靈敏度，同時其還具備小型化和可室溫工作等優勢。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以產生磁共振信號，這會導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一步提升的主要難題。
近日，北京大學電子學院郭弘教授課題組提出了一種基于參數共振的新型射頻原子磁傳感器。該方案通過利用脈沖磁場對原子自旋進行調制產生參數共振現象，能夠實現高靈敏度的射頻磁場測量(如圖1所示)。與傳統的磁共振方案相比，參數共振方案無需施加額外的偏置磁場以產生與待測射頻場共振的拉莫進動頻率信號，從而避免了磁共振方案中由偏置磁場引起的自旋交換碰撞弛豫問題，解決了射頻原子磁傳感器中信號線寬展寬的問題。在相同的實驗裝置下，參數共振方案實現了一個數量級以上的磁傳感器靈敏度的提升，在小型銣87原子中實現了噪聲水平低至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量提供了新的技術途徑，為磁場探測技術在工業檢測、醫療成像和國防安全等領域提供了更為廣闊的應用前景。
相關研究成果以“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表于《物理評論快報》 ( Physical Review Letters ，第133卷，文章號093201)。北京大學電子學院博雅博士后肖偉為論文第一作者，郭弘與電子學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電子學院彭翔長聘副教授、2021級博士研究生劉曦嶼。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃(H863計劃)等項目支持。
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