微型原子指南针，用于改善导航、脑成像等领域的技术
2025-02-22 12:56:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近期，美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的一个由物理学家和工程师组成的科研团队发现了一种测量磁场方向的新方法，他们所使用的可能是世界上最微小的“指南针”——原子。

通过将包含大约1000亿个铷原子的单元暴露于微波信号中，以测量磁场方向

该科研团队的发现或许有朝一日能催生出一系列全新的量子传感器，从可绘制人脑活动图的磁成像设备到能够助力飞机环球航行的导航设备等。这项发表在Optica期刊上的新研究论文（题为“Accurate vector optically pumped magnetometer with microwave-driven Rabi frequency measurements”）源于物理学家Cindy Regal和量子工程师Svenja Knappe的合作。

“这揭示了被捕获气态原子的多功能性。”Cindy Regal说道。她是物理学教授，也是美国科罗拉多大学博尔德分校与美国国家标准与技术研究院（NIST）联合研究机构——美国天体物理联合实验室（JILA）的研究员。

“原子包含了很多信息。”她说，“我们正在对它们进行数据挖掘，以同时收集磁场是否发生了极小的变化以及这些磁场指向的方向。”

这些磁场就在我们周围，即使你从未见过它们。例如，地球富含铁的内核会产生一个围绕地球的强大磁场。每当你的大脑中有一个神经元放电时，它也会发出微小的磁能脉冲。

但是，测量这些磁场指向的方向，特别是对于精密的原子传感器来说，可能会很棘手。在目前的研究中，Regal和她的同事们开始这样做——借助一个小腔室，里面含有大约1000亿个气态铷原子。研究人员用磁场撞击腔室，使里面的原子经历能量变化。然后他们使用激光精确测量这些变化。

“你可以把每个原子看作指南针。”在JILA的Regal实验室的研究生Dawson Hewatt说，“我们有十亿个指南针，可以制造出非常精确的测量设备。”

磁性世界

这项研究在一定程度上源于Knappe探索我们周围磁性环境的长期目标。

“磁成像使我们能够测量埋在致密和不透明结构中的源。”Paul M.Rady机械工程系的研究教授Knappe说，“它们或者在水下，或者埋在混凝土下，或者在人体内，在头骨内侧。”

例如，在2017年，Knappe共同创立了FieldLine公司，该公司研发并生产原子蒸汽（Atomic Vapor）磁传感器，也称为光泵磁力仪（OPM）。该公司制造了方糖大小的集成式量子传感器，并将其安装在头盔上，可以绘制出人类大脑的活动。

FieldLine公司的OPM传感器

孩子戴着由FieldLine公司制造的传感头盔，该头盔由100多个OPM传感器组成。

FieldLine公司的脑磁扫描系统

这些OPM传感器也有一个主要的局限性：它们只能在屏蔽外部磁力的环境中测量磁场的微小变化。在这些屏蔽房间之外需要使用不同的OPM传感器，且只能测量磁场的强度。他们自己无法记录这些磁场指向的方向。但这是理解大脑因各种神经系统疾病而发生变化的重要信息。

为了提取这类信息，工程师通常使用参考磁场来校准他们的OPM传感器，参考磁场具有已知的方向，作为某种指导。他们比较有和没有施加参考磁场的传感器数据，以衡量这些传感器的响应情况。在大多数情况下，这些参考是小金属线圈，Knappe表示，随着时间的推移，它们会变形或退化。

Regal和她的团队有一个不同的想法：他们将使用微波天线作为参考，这将使他们能够依靠原子本身的行为来校正参考随时间的任何变化。

原子指引方向

Regal解释说，原子的行为有点像微小的磁铁。如果你用微波信号轰击其中的一个原子，它的内部结构就会摆动——一种可以告诉物理学家很多信息的原子“舞蹈”。

Regal说：“最终，我们能够读取那些摆动信息，这些信息能告诉我们原子所经历的能量跃迁的强度，进而让我们知晓磁场的方向。”

在目前的研究中，该团队能够利用原子“舞蹈”来精确定位磁场的方向，精确度接近百分之一度。一些其他类型的传感器也可以通过仔细校准达到这一水平，但研究人员认为原子具有进一步发展的巨大潜力。

Regal表示，与内部零件可能会变形的机械设备不同，原子总是一样的。

在将微型指南针投入现实世界之前，该团队仍需提高其精度。但是研究人员希望，有一天，飞机飞行员可以使用原子指引全球飞行，跟随地球磁场的局部变化，就像候鸟使用自己的生物磁传感器一样。

延伸阅读：

《量子传感器技术及市场-2025版》