北大电子学院郭弘教授团队在量子磁传感领域取得重要进展

磁场探测是量子传感领域的关键技术，具有广泛的应用潜力和重要的战略价值。在工业领域，磁场测量可实现基于电磁感应的无损探伤，在不影响检测对象的前提下，对材料、零件、设备中的缺陷进行定位和定量检测，避免隐藏缺陷可能会构成重大的安全风险，保障工业生产的安全。在生物医疗领域，磁场探测可用于核磁共振信号的检测，提升核磁共振成像的分辨率和检测精度，为医学影像技术的进步提供新的途径。此外，在国防安全领域，磁场探测技术能够用于水下磁通信，大幅延长通信距离，提升隐蔽通信能力，基于磁场探测的核四极矩共振技术还可精准检测爆炸物、毒品等违禁物品，增强我国的安防和反恐能力。

传统的磁感应线圈式磁传感器在低频时受限于电磁感应定律，感应信号减小导致灵敏度降低。而原子磁传感器则不受限于电磁感应定律，在低频处能够突破磁感应线圈的热噪声极限，实现更高的灵敏度，同时其还具备小型化和可室温工作等优势。然而，射频原子磁传感器通常采用的磁共振方案需要施加偏置磁场以产生磁共振信号，这会导致原子自旋间的自旋交换碰撞弛豫成为限制射频原子磁传感器灵敏度进一步提升的主要难题。

图 1 参数共振射频原子磁传感器原理示意图（左）及装置示意图（右）

近日，北京大学电子学院郭弘教授团队提出了一种基于参数共振的新型射频原子磁传感器。该方案通过利用脉冲磁场对原子自旋进行调制产生参数共振现象，能够实现高灵敏度的射频磁场测量（如图1所示）。与传统的磁共振方案相比，参数共振方案无需施加额外的偏置磁场以产生与待测射频场共振的拉莫进动频率信号，从而避免了磁共振方案中由偏置磁场引起的自旋交换碰撞弛豫问题，解决了射频原子磁传感器中信号线宽展宽的问题。在相同的实验装置下，参数共振方案实现了一个数量级以上的磁传感器灵敏度的提升，在小型铷87原子中实现了噪声水平低至2 fT/Hz1/2的高灵敏度射频原子磁传感器（如图2所示）。这一研究成果为射频原子磁传感器的高灵敏度测量提供了新的技术途径，为磁场探测技术在工业检测、医疗成像和国防安全等领域提供了更为广阔的应用前景。

图 2 参数共振射频原子磁力仪灵敏度测量结果及与国际同行的对比

相关研究成果以"Radio-Frequency Magnetometry Based on Parametric Resonances"为题，于2024年8月27日以封面文章的形式在线发表于《物理评论快报》 (Physical Review Letters, 第133卷, 文章号093201)。北京大学电子院博雅博士后肖伟为论文第一作者，北京大学电子学院郭弘教授与吴腾研究员、助理教授为论文共同通讯作者，其他论文作者包括北京大学电子学院彭翔长聘副教授，以及电子学院2021级博士研究生刘曦屿。该项工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划（H863计划）等项目支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.093201