量子磁传感器综述：SQUID、原子磁力计及金刚石NV色心磁力计
2026-05-30 15:20:35 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
电子罗盘、磁通门磁力计等非量子物理学原理的常规磁传感器，在某些情况下也能达到良好的效果，但量子磁传感器的灵敏度要高得多。这种出众的灵敏度，催生了大量极具潜力的全新应用与无限可能。
磁场无处不在：地球的铁核产生环绕整个星球的磁场，保护人类免受外太空带电粒子的侵袭；导线中的电流会产生磁场；人体神经细胞中传递的电信号同样会产生磁场。
测量磁场可获得极具价值的数据：科学家测量超导体及其它材料产生的磁场，用以研发前沿技术与电子器件；生物医学研究人员测量脑细胞产生的微弱磁场，以及调控心脏搏动的电流，以此获取关键健康数据；地质学家通过检测岩石中的磁性矿物，研究地球磁场在漫长岁月中的演变过程；全球各国军方也希望借助地球磁场测量技术，实现GPS拒止环境导航。
电子罗盘、磁通门磁力计等非量子物理学原理的常规磁传感器，在某些情况下也能达到良好的效果，但量子磁传感器的灵敏度要高得多。这种出众的灵敏度，催生了大量极具潜力的全新应用与无限可能。
量子磁传感器拥有多种技术路线：SQUID、原子磁力计及金刚石NV色心磁力计。
超导量子干涉器件（SQUID）
19世纪，科学家发现了电与磁之间的紧密关联：电流能够产生磁场，磁场又可反过来感应出电流。依托这一研究成果及后续诸多发现，科学家在20世纪六七十年代研发出一类新型量子传感器——超导量子干涉器件，英文简称“SQUID”。
超导体是一类特殊材料，当被冷却至极低温时，受量子物理效应作用，电流可在其中零电阻传输，超导体就如同毫无摩擦力的电流通道。
图为美国国家标准与技术研究院（NIST）研制的SQUID放大器显微照片，它是用于读取超导传感器阵列信号的电路组件之一。
若要将超导体制作成传感器，研究人员会把超导体加工成微型环结构，并在其中设置绝缘势垒。施加磁场后，环内电流会发生分流，且电流穿过势垒时会产生干涉效应，进而使环路内总电流出现振荡。磁场强度越高，电流振荡幅度就越大。SQUID具备超高灵敏度，原因在于该环路本质上相当于磁场天线，可将极其微小的磁场变化放大为可检测的信号。
SQUID为科学家们提供了探测人体内产生的极微弱磁场的新途径。例如，脑磁图（MEG）可帮助医生精准定位患者大脑病变及受损组织，还能在癫痫等病症的手术中为外科医师提供术中引导。近期多项研究已借助脑磁图，辅助确诊多发性硬化症、阿尔茨海默病、精神分裂症及脑损伤患者。
由美国国家标准与技术研究院首次实现应用的量子增强型心磁图（MCG），目前已完成相关测试，可用于检测胎儿心脏信号。这类信号强度极低，传统技术难以监测。科研人员希望未来能借助量子磁传感器，对高危妊娠期间胎儿的心脏健康开展无创监测。
除了生物医学领域，科研机构与企业也利用SQUID测量地球磁场的变化。依托这项技术，人们陆续探明多处大型矿藏，发现被土壤与植被掩埋的古遗址，同时还可排查未爆弹药。科研人员使用SQUID在极低温环境下测量材料磁学特性，助力完成新型超导体与自旋电子器件的性能表征。
SQUID还能高效读取另一类超导量子传感器的信号，这类传感器主要用于探测极弱光。当入射光子（光粒子）作用于转变边缘传感器时，流经传感器的电流会骤降。SQUID可捕捉到电流骤降所引发的磁场变化。天文学家采用搭配SQUID读出电路的转变边缘传感器，探测宇宙初期微弱的微波光子辐射；物理学家则利用这类器件开展暗物质探测研究。
SQUID同样存在局限性：超导体需在极低温环境下工作，而维持该环境要依靠体积庞大、造价高昂的制冷设备。因此，尽管脑磁图技术具有潜在的诸多优势，目前全球仅有数百家医疗机构与科研院所配备了基于SQUID的相关仪器设备。为此，科研人员开始研发新型磁传感器，要求其兼具SQUID的高灵敏度，同时摆脱设备笨重与成本高的困扰。
原子磁力计
科研人员希望基于原子的磁场传感器能够攻克上述难题，推动量子磁力测量技术充分发挥效能。量子力学表明，构成原子的质子、中子、电子等基本粒子均带有微小的固有磁矩，该特性即为量子自旋。20世纪60年代，研究人员摸索出将这类微观磁体用作传感单元的方法。
首先，研究人员将数十亿个铯原子或铷原子约束在小型玻璃腔室中；随后射入偏振激光，激光会驱使所有原子最外层电子的自旋方向保持一致；再将该腔室置于待测磁场中。
待测磁场会使电子自旋偏离偏振光的原有方向，每个原子就此成为一枚微型罗盘。自旋偏转将削弱穿透原子云并抵达探测器的光信号。通过监测透射光强度，即可灵敏、精准地测得磁场大小。
原子磁力计自20世纪60年代便已出现，而近年的技术进步使其灵敏度基本追平超导量子干涉器件。目前性能最优的磁力计，可探测到强度不足普通冰箱磁铁磁场十亿分之一的极弱磁场。
与SQUID类似，原子磁力计也可用于测量人体大脑与心脏内电流产生的微弱磁场。例如，神经科学研究证实，原子磁力计能够定位癫痫病灶；至少在一项测试案例中，其信噪比（SNR）优于传统SQUID脑磁图系统。
原子磁力计的体积远小于SQUID，并且可在室温下工作。因此研究人员期待，基于原子的脑磁图与心磁图设备能让更多人受益于这项先进技术。体积更小、便携性更强的仪器设备尤其适用于儿童与婴幼儿诊疗，同时也能以更简便的方式监测胎儿心脏健康。
便携式原子磁力计还可方便应用于野外勘探，探测地下矿产的磁性特征；也可搭载在飞机、船舶及其它运载工具上测量地磁场，支撑无GPS导航作业。
金刚石氮-空位（NV）色心磁力计
第三类量子磁传感器——金刚石NV色心磁力计，在导航及部分特定应用场景中表现更为优异。该类器件的工作原理与原子磁力计相近，同样利用亚原子粒子的自旋特性，但二者存在核心区别：其作用原子被禁锢在微型金刚石内部。该结构让该传感技术兼具体积小巧、性能稳定的特点。
金刚石是碳原子规则排布形成的晶体。制备NV色心磁力计时，科研人员会在晶体结构中人为引入缺陷：移除一个碳原子，并将其相邻的碳原子替换为氮原子，由此形成氮-空位（NV）色心。与原子体系类似，氮空位中心拥有分立的量子能级；其电子自旋对外界磁场十分敏感，这一特性可通过激光进行检测读取。
目前性能最优的金刚石NV色心磁力计，灵敏度仍不及原子磁力计与SQUID磁力计，后两者依旧是极弱磁场检测的首选传感器。但是金刚石NV色心磁力计在高频磁场测量上优势显著，并且能够轻松应对各种不同的磁场强度。因此，博世（Bosch）与人造金刚石领导者Element Six成立一家合资企业——博世量子传感（Bosch Quantum Sensing）公司，实现基于金刚石NV色心磁力计商业化。
金刚石NV色心磁力计也逐步找到了属于自己的独特应用场景。此类磁力计可同时检测磁场的强度与方向，因此能集成至显微镜中，不仅可获取数值读数，还能生成样本磁场的纳米级成像。科研人员依托该特性，在古地磁学（研究古磁性岩石的学科）领域取得了多项研究成果。研究人员还借助量子金刚石显微镜，对计算机芯片等微电子器件的磁场进行成像——这既有助于产品质量管控，也可排查芯片内部是否暗藏恶意电路。
金刚石NV色心磁力计可如同常用荧光蛋白标记物一般，附着于实验室细胞或活体生物体内，且不会对细胞与生命体造成伤害，在生物医学领域具备良好应用前景。科研人员已借助金刚石NV色心磁力计，完成单细胞乃至单分子蛋白质尺度的磁场检测。金刚石NV色心磁成像仪可检测神经细胞内电信号的传导速率变化，有望推动多发性硬化症、帕金森病、阿尔茨海默病等神经系统疾病的研究工作。
金刚石NV色心磁力计的量子态存续时长优于其它类型量子磁力计，同时其载体金刚石材质经久耐用。凭借这一稳定可靠的特性，该技术受到军方关注，计划将其应用于GPS拒止环境导航——这项人们长期探索的技术，或将改变全球航空、国防及军事作战格局。
搭载在飞机或无人机上的量子磁力计，可在飞行途中探测地壳磁场，再将测得数据与地磁图比对，从而精准定位飞行器位置。目前科研人员正针对该应用场景测试金刚石NV色心磁力计。
延伸阅读：
上一篇：综述：磁阻电流传感器技术及应用
下一篇：最后一页