清华大学物理系刘永椿研究组在磁场精密测量研究方面取得新进展

　　【仪表网 研发快讯】近日，清华大学物理系刘永椿研究组实现了基于磁致伸缩法布里-珀罗腔光力系统的高灵敏度磁力计，测磁灵敏度达到亚皮特量级，可在室温条件和地磁场环境下工作。
 

　　高灵敏度磁测量技术不仅在基础物理研究方面有重要意义，而且在国防安全、资源勘探、太空探索、工业检测、医学诊断等多个领域都具有广泛的应用前景。目前，尽管有多种类型的磁场测量方法，但同时实现高灵敏度、室温条件工作和地磁场环境工作仍然是极大的挑战。
 

　　该研究工作提出了基于磁致伸缩法布里-珀罗腔光力系统的高灵敏度磁场测量方法，通过设计支持缺口摆动机械模式的磁致伸缩腔光力系统，结合光学共振和机械共振增强特性，实现了对磁场的灵敏响应，测磁灵敏度达到620 fT/Hz1/2。这是国际上灵敏度最高的腔光力磁力计，且该系统具有能够在室温条件和地磁场环境下工作的优点。目前，系统灵敏度仍受限于电子学噪声，而由系统热噪声所限制的灵敏度极限为5.9 fT/Hz1/2，后续通过进一步优化，系统灵敏度有望达到该热噪声极限。
 

图1.具备磁致伸缩效应的法布里-珀罗腔光力系统原理图和实验光路图
 

图2.噪声功率谱密度、系统响应和磁力计灵敏度测量结果图
 

　　研究所设计的磁致伸缩法布里-珀罗腔光力系统如图1所示。系统使用磁致伸缩材料合金(Terfenol-D)作为光学腔主体部分，腔体两侧各有一面高反射率平凹反射镜，形成高精细度法布里-珀罗光学腔。如果外磁场发生变化，磁致伸缩效应将使光学腔腔长发生变化，进而使光学腔共振频率发生变化。利用Pound-Drever-Hall(PDH)锁频技术，通过将激光输出频率锁定到光学腔共振频率上，即可通过PDH误差信号测出共振频率的变化。为了实现对磁场的灵敏响应，在光学腔腔体结构中使用了特殊的缺口设计，通过引入缺口使系统出现“缺口摆动机械模式”。该机械模式具有低共振频率和高品质因子等优点，可以极大地实现对磁场响应的共振增强(图2)。
 

　　研究成果为室温条件和地磁场环境下的高灵敏度磁场测量提供了重要方法，在国防安全、资源勘探等领域展现出广阔的应用前景。
 

　　相关研究成果以“亚皮特光力磁测量”(Subpicotesla Optomechanical Magnetometry)为题，于10月10日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
 

　　清华大学物理系副教授刘永椿为论文通讯作者，物理系2023届博士毕业生许安宁(现为山东大学博士后)、2021届博士毕业生李奕璠(现为法国巴黎高等师范学院博士后)、2017届硕士毕业生李相良(现为北京量子信息科学研究院助理研究员)为论文共同第一作者。论文合作者还包括山东大学副研究员刘贝，清华大学物理系教授尤力为该工作提供了指导。研究得到科技部国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金委面上项目、广东省重点领域研发计划项目、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心的资助。