重大突破！JILA研发新型矢量光泵磁强计，测量精度大幅提升

    2025年2月7日消息，光泵磁强计（OPM）在很多领域都派得上大用场，像生物传感、检查违禁品、磁通信，甚至在寻找暗物质的时候也能发挥作用，还被看作是量子增强测量的一把好手。不过，OPM有个麻烦，它原本只能做标量运算，想要做出精确的矢量磁强计可不容易，因为标量OPM得靠外部参考才能知道方向信息。虽说标量测量在不少时候够用了，但要是对精度要求特别高，矢量OPM的精准校准就显得格外重要。

    最近，由科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所一起成立的JILA研究团队可厉害了，成功做出了一种新型矢量OPM。这个新仪器有个独特本领，它能利用铷原子流形之间驱动的拉比振荡，测量出磁场相对于微波场极化椭圆结构的方向。

    研究人员先找了一个气室，里面装着大概一千亿个变成蒸汽状态的铷原子，然后把气室放在微波信号下面。接着，再用磁场冲击气室，这时候气室里的原子就会发生偏移。最后，研究人员用激光去测量原子能量的变化。辛迪・雷加尔教授打了个比方：“原子就像一个装满信息的大仓库，我们就像寻宝人，从它们身上挖掘信息，这样就能知道磁场有没有小变化，还有磁场到底朝着哪个方向。”

    雷加尔教授还说，当原子被微波信号撞到的时候，它内部结构就会“晃悠”起来，这种“晃悠”可藏着大学问。“我们只要解读好这些‘晃悠’，就能知道原子能量变化的强度，自然也就知道磁场方向了。”在这次研究里，团队通过观察原子能量变化，也就是原子的“晃悠”，把磁场方向的测量精度提高到了接近百分之一度。

    研究团队只靠原子测量，就能发现微波矢量参考里的漂移，还能把那些系统性偏移给修正过来。为了让仪器在任何角度都能正常工作，他们还想出了用缀合态共振的拉比测量方法。这次测量是在蒸气室平台里做的，对于差不多50微特斯拉的地磁场强度，平均矢量精度达到了0.46毫弧度，矢量灵敏度低到每平方根赫兹11微弧度，比现在好多用原子蒸气和电磁矢量参考的OPM方法都要厉害。研究员道森・休瓦特形象地说：“每个原子就像一个小指南针，我们有十亿个小指南针，合在一起就能变成超精确的测量工具。”

    从以后的用处来看，这些研究成果以后能用来做量子传感器，比如画出大脑活动的图，帮飞机找准方向。斯文亚・克纳普教授说：“磁成像可神奇了，它能让我们探测到藏在又密又不透光地方的信号源，不管是在水下、混凝土下面，还是在脑袋里都没问题。”和那些用久了零件会变的机械设备不一样，原子一直都是稳定的。

    现在，团队打算在把新型矢量OPM真正用起来之前，再把它的精度提高提高。研究人员盼着以后飞机驾驶员能用上基于原子蒸气的矢量OPM，通过追踪地球磁场的细微变化来给飞机导航，就像候鸟靠着天生的生物磁传感器找路一样。克纳普教授说：“现在大家都在想，我们到底能把这些原子系统的能力发挥到什么程度。”

    这项超厉害的研究成果已经发表在《Optica》杂志上了，给矢量OPM的发展和应用打开了全新的大门。