李建军， 王学锋， 王 巍， 邓意成

（1.中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心,北京100094;2.中国航天科技集团有限公司,北京100048;3.北京航天控制仪器研究所,北京100039）

0 引言

无自旋交换弛豫（Spin-exchange Relaxation-free,SERF）磁力仪是基于原子自旋SERF态效应利用光探测磁共振方法实现弱磁场精密测量的磁传感器,SERF态效应为压窄原子磁共振线宽实现超高灵敏度原子磁力仪提供了一种新途径。1973年,美国哥伦比亚大学教授Happer和Tang在实验中首次发现了高原子数密度和低磁场环境下的原子系统SERF态效应[1]。 1977年,Happer和Tam从理论上解释了SERF态的物理机理[2]。SERF原子磁力仪具有的超高灵敏度、小体积和低功耗等优点使其在空间磁场探测[3]、 基础物理研究[4]和生物医学[5-6]等领域具有重要应用价值。2010年,SERF原子磁力仪已实现0.16fT/Hz1/2的测量灵敏度,超越了超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device,SQUID）,是目前世界上灵敏度最高的磁力仪[7]。近二十年来,SERF原子磁力仪吸引了国内外诸多研究小组的广泛关注,已成为精密磁场测量研究领域的热点之一。

1 基本原理

原子自旋交换是指两个碱金属原子在碰撞过程中由于电子强耦合作用导致原子在超精细能级布居数的变化,是影响原子自旋弛豫最为关键的因素[8]。然而,在高原子数密度和低磁场条件下,碱金属原子的自旋交换碰撞频率远大于原子的Larmor进动频率时,原子的自旋分布会维持稳定状态,保证了原子系统的相干性,系统进入SERF态。

经典SERF原子磁力仪的原理装置如图1所示,其核心是充有碱金属原子和缓冲气体（He、N2）的原子气室。一束与碱金属原子D1线共振的泵浦激光经过准直透镜和1/4波片将线偏振光转变为圆偏振光,用于极化碱金属原子自旋。当存在外磁场By时,原子磁矩绕着磁场做Larmor进动。一束与泵浦激光方向垂直的线偏振探测光通过原子气室,经过偏振分束棱镜分为s光和p光,分别由光电探测器接收。然后,通过差分放大电路检测探测光偏振面的偏转角度,实现磁场的精密测量。另外,无磁电加热片用于提高原子气室温度,增加原子数密度；三维磁场线圈用于补偿原子磁力仪环境剩余磁场,磁屏蔽筒用于屏蔽外界地磁场对原子自旋的影响。

图1 SERF原子磁力仪原理装置示意图Fig.1 Schematic diagram of SERF atomic magnetometer

考虑原子系统激光泵浦极化、磁致进动和自旋弛豫三种物理过程,可以利用Bloch方程描述SERF态原子自旋演化过程[9]

由量子力学测不准原理,SERF原子磁力仪的极限灵敏度为

式（3）中,n为碱金属原子数密度,γ为原子旋磁比,T2为横向弛豫时间,V为原子气室体积,t为测量时间[10]。如采用体积为7cm3、工作温度为190℃的钾原子气室,SERF原子磁力仪的理论极限灵敏度可达到 2×10－18T/Hz1/2[11]。

2 国内外研究进展

2.1 国外研究进展

2002年,美国普林斯顿大学的Romalis等首次将SERF态效应应用于光学原子磁力仪,达到了在高原子数密度条件下的原子自旋极化信号增强,而磁共振线宽不增加的效果实现了灵敏度为10fT/Hz1/2的SERF原子磁力仪[11]。图2为美国普林斯顿大学的SERF原子磁力仪实验装置。2010年,该小组将钾原子气室温度加热至200℃,其灵敏度提升至0.16fT/Hz1/2,达到世界领先水平[7]。此外,为了摆脱磁屏蔽筒带来的约束,Romalis等通过零交叉磁场调制主动补偿控制技术有效压制了环境剩余磁场,在无磁屏蔽筒环境下实现了灵敏度达到1pT/Hz1/2的三轴矢量SERF原子磁力仪[12]。

图2 美国普林斯顿大学的SERF原子磁力仪实验装置图Fig.2 Experiment platform of SERF atomic magnetometer developed by Princeton University

2008年,美国加州大学伯克利分校的Budker等研制成功了基于铯原子的SERF磁力仪,灵敏度达到40fT/Hz1/2,并在理论上进一步指出通过优化其灵敏度可达到 0.2fT/Hz1/2[13]。 2010年, 美国国家标准与技术研究院利用微机电（MEMS）系统技术研制了双腔原子气室,实现了灵敏度为5fT/Hz1/2的SERF原子磁力仪[14]。此外,该小组还致力于SERF原子磁力仪的小型化和低功耗研究[15-16]。

近年来,SERF原子磁力仪已经逐步实现商业化,如美国的QuSpin公司和Twinleaf公司已经开始出售高性能的SERF原子磁力仪。2017年和2018年,QuSpin公司分别研制出灵敏度优于15fT/Hz1/2的第一代和灵敏度为7fT/Hz1/2～10fT/Hz1/2的第二代SERF原子磁力仪产品,其中第二代探头体积为12.4mm×16.6mm×24.4mm,如图3所示。

图3 美国QuSpin公司的第一代和第二代SERF原子磁力仪产品Fig.3 First and second generation product of SERF atomic magnetometer developed by QuSpin Company

2.2 国内研究进展

在国内,SERF原子磁力仪的研究起步较晚。2020年,北京航空航天大学突破了高压抗弛豫碱金属气室、高性能低噪声磁屏蔽与磁补偿、原子自旋精密极化与检测等关键技术,实现了基于钾原子自旋SERF效应的超高灵敏度磁场测量平台,磁场灵敏度达到 0.089fT/Hz1/2（30Hz ～39Hz）, 测量平台如图4所示[17]。

图4 北京航空航天大学的SERF原子磁力仪研究平台Fig.4 Research platform of SERF atomic magnetometer developed by Beijing University of Aeronautics and Astronautics

2016年,中国科学院物理研究所成功搭建了基于钾原子的SERF原子磁力仪装置,灵敏度为8fT/Hz1/2[18]。 2019年, 该单位利用热管导热方式加热钾原子气室,实现了灵敏度优于6fT/Hz1/2的小型化四通道SERF原子磁力仪,如图5所示[19]。

图5 中科院物理所的小型化四通道SERF原子磁力仪探头Fig.5 Diagram of SERF atomic magnetometer sensor head developed by Institute of Physics,CAS

2017年,北京自动化控制设备研究所基于铯原子气室,利用泵浦光-探测光垂直结构实现了探头体积为2.5cm×2.7cm×15cm、灵敏度为10fT/Hz1/2的小型化SERF原子磁力仪,如图6所示[20]。

图6 北京自动化控制设备研究所的SERF原子磁力仪探头Fig.6 Diagram of SERF atomic magnetometer sensor head developed by Beijing Automation Control Equipment Institute

2019年,北京航天控制仪器研究所突破了长弛豫时间原子气室、高精密磁补偿、原子气室无磁加热以及小型化探头无磁封装等关键技术,成功研制出了探头体积为55cm3、灵敏度为50fT/Hz1/2的SERF原子磁力仪原理样机,如图7所示。

图7 北京航天控制仪器研究所SERF原子磁力仪原理样机Fig.7 Diagram of SERF atomic magnetometer principle prototype developed by Beijing Institute of Aerospace Control Devices

3 关键技术

制约SERF原子磁力仪灵敏度的主要因素包括碱金属原子弛豫时间和环境磁场等,关键技术主要包括长弛豫时间原子气室制备、原子气室无磁加热和高精密动态磁补偿等。

3.1 长弛豫时间原子气室制备技术

原子气室是原子自旋极化、自旋弛豫和磁致进动等物理过程的发生场所,是SERF原子磁力仪的核心部件。原子自旋弛豫时间直接决定SERF原子磁力仪的灵敏度等指标,提高气室中原子自旋弛豫时间的常用方法有两种:充入缓冲气体和气室内壁镀膜[21]。缓冲气体能够降低原子与气室内壁的碰撞,提升原子自旋弛豫时间。同时,碱金属原子也会与缓冲气体产生自旋碰撞等弛豫过程。所以,原子气室的精确充制是气室制备中的一项技术难题。原子气室镀膜可以有效减缓原子与内壁的碰撞,抑制极化原子的退极化过程,并且不会造成气压增大而产生的原子吸收谱线展宽,有利于低光功率下实现原子的高效极化,镀膜材料和镀膜工艺是长时间弛豫时间原子气室制备的研究重点。此外,原子气室材料与碱金属原子会产生一定的物理、化学作用,其耐碱性是影响原子气室长期性能稳定性的重要因素。

3.2 原子气室无磁加热技术

为消除原子自旋交换碰撞弛豫机制,需将原子气室加热至100℃以上获得高密度碱金属蒸气,保证原子自旋交换速率远大于原子自旋Larmor进动频率。在SERF原子磁力仪研究初期,热气流加热[13,22]和间断式电加热[14]是普遍使用的无磁加热方式。但是,热气流加热存在功耗高、加热速度慢、温度控制精度低以及间断式电加热存在温度稳定性差、易产生温度梯度等缺点,不符合小型化超高灵敏度SERF原子磁力仪的发展趋势。而连续电加热结构简单、体积小,但是加热过程中会引入磁场噪音。通过设计对称结构,加热片可以显著降低加热磁场对原子自旋磁矩进动的影响。同时,由于原子自旋进动频率在百赫兹量级,高频加热信号对其几乎没有影响。因此,利用电热丝对称形式设计小型无磁加热片、采用高频连续加热方法实现原子气室温度稳定控制是SERF原子磁力仪的关键技术之一。

3.3 高精密动态磁补偿技术

零磁场环境是原子系统进入SERF态的另一个关键因素。环境剩余磁场和梯度磁场直接影响原子自旋弛豫时间,影响SERF原子磁力仪的灵敏度。通常,采用坡莫合金（镍含量在35%～90%的铁镍合金）对地磁场进行被动屏蔽,将磁屏蔽筒剩磁降低至10nT左右,通过设计高精密电源和制备正交线圈对磁屏蔽筒内的剩磁进一步主动补偿。此外,为摆脱原子磁力仪在非屏蔽环境下的使用限制,需采用磁场反馈补偿方式,利用外加磁场抵消环境磁场,使原子气室工作于零磁场附近,实现三轴磁场的闭环输出[23]。2004年,美国普林斯顿大学基于高精密磁场补偿反馈技术在X-Z方向产生交叉调制磁场,实现了非屏蔽环境下的三轴矢量SERF原子磁力仪[12]。

4 发展趋势

作为国内外磁场精密测量技术的研究热点,近二十年来,SERF原子磁力仪取得了长足的发展,其发展趋势主要体现在以下几个方面:

1）在工作介质方面,SERF原子磁力仪向基于碱金属钾原子的超灵敏度SERF磁力仪发展。相比于其他碱金属原子（铷和铯）,钾原子与缓冲气体（He或N2）的自旋破坏碰撞截面小1～2个数量级,具有更窄的原子磁共振线宽,在灵敏度和测量精度上更具优势[24]。

2）在工程应用方面,SERF原子磁力仪向非磁屏蔽环境下的三轴SERF原子磁力仪发展。考虑原子工作在SERF态时需满足极弱磁环境条件,通过磁场闭环控制技术,利用外加磁场抵消环境磁场,保证原子气室处于零磁场附近,同时通过反馈信号测量外界磁场三轴分量[23]。非磁屏蔽环境下的原子磁力仪研制突破了零磁场局限,能够满足空间磁场探测需求。

3）SERF原子磁力仪正朝着小型化、超高灵敏方向发展。目前,国内的SERF原子磁力仪还处于原理样机研制阶段,探头工作寿命和稳定性是面临的主要问题,需要从根本上解决微型长弛豫时间原子气室制备、激光稳频控制、磁补偿精密控制以及探头小型化无磁封装等技术难题。

5 应用前景

SERF原子磁力仪在生物医学和基础物理研究、空间磁场探测等领域具有重要应用前景。

SERF原子磁力仪成本低、灵敏度高、体积小、功耗低以及便于维护,有望代替传统SQUID脑磁图仪为研究大脑工作原理提供丰富的信息,是脑机接口和人工智能研究领域最有潜力的技术手段。2018年,英国诺丁汉大学研制成功了基于SERF原子磁力仪的可穿戴式脑磁图原型机,能实现自由移动脑磁信号探测,如图8所示[6]。

图8 英国诺丁汉大学基于SERF原子磁力仪的脑磁图原型机Fig.8 Diagram of magnetoencephalogram prototype based on SERF atomic magnetometer developed by University of Nottingham

其次,三轴矢量SERF原子磁力仪有望应用于地磁台站监测和空间磁探测[25]。相比于磁通门三轴矢量磁力仪,矢量原子磁力仪具有更好的稳定性和精确度,并具有三轴测量位置重合等优点。后续,通过对半导体激光二极管和微型原子腔等技术的集成应用,有望实现技术指标优于磁通门的三轴矢量SERF原子磁力仪。

6 结论

SERF原子磁力仪是一种能兼顾超高灵敏度和小体积的磁场精密测量仪器。本文介绍了SERF原子磁力仪的基本原理和国内外研究进展,重点归纳和讨论了长弛豫时间原子气室、原子气室无磁加热和高动态磁补偿等关键技术,并从工作介质和工程应用等方面对其发展趋势进行了分析,最后对SERF原子磁力仪在生物医学和空间磁探测等领域的应用前景进行了展望。