SERF原子磁強計最新進展及應用綜述

王 宇，趙惟玉，康翔宇，李 筠，高秀敏，李 陽

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

自中國古代以航海為目的發明指南針以來，磁場的探測與測量便成為人類了解物理世界的主要方法之一，對人類文明具有重要意義。基于原子自旋效應的超高靈敏磁場測量裝置是當代原子物理、矢量光學、精密儀器等前沿學科交叉領域發展融合的產物。原子磁場測量技術伴隨著量子傳感、信息、儀器儀表等技術發展而來，是新一代超高靈敏度磁場測量技術的發展方向。弱磁檢測磁強計主要包括磁通門磁強計、超導量子干涉儀（superconducting quantum interference device，SQUID）和原子磁強計等。磁通門磁強計受限于線圈的幾何結構，極限分辨率一般只能達到納特斯拉量級；SQUID因其高靈敏度廣泛應用于各領域，但由于其需要液氮杜瓦瓶來保持低溫，導致磁強計體積增大、不易于小型化且成本昂貴；原子磁強計是一種用于探測外磁場作用下堿金屬蒸氣極化變化的光學儀器，可在較小的磁屏蔽室下工作，且能夠利用許多常見的探測器元件，以相對較低的成本在多通道配置中工作，形成梯度檢測以提高靈敏度。

無自旋交換弛豫（spin-exchange relaxation free，SERF）原子磁強計是一種運行在SERF態下的新型堿金屬原子磁強計，靈敏度不受自旋交換弛豫的影響，是目前最敏感的傳感器，并且具有非低溫操作、易于小型化、高空間分辨率等優點。1957年，Bell等[1]通過實驗驗證了Dehmelt[2]所提出的磁場強度可由觀察堿原子自旋進動來確定的理論。Happer等[3-4]于1973年發現當自旋交換率遠遠大于拉莫爾進動頻率時，自旋交換弛豫會被抑制，并在高原子密度、小尺寸氣室的堿蒸氣中觀測到200Hz的磁共振線，隨后于1977年推導出這一現象的理論解釋。自2002年普林斯頓大學科研人員[5-6]首次實現原子的無自旋交換弛豫(SERF)態，并于2003年實現靈敏度足以測量腦磁場信號的SERF磁強計后，世界各地許多科研團隊都致力于SERF原子磁強計的研究。

1 SERF原子磁強計工作原理

SERF原子磁強計工作原理如圖1所示，一束圓偏振泵浦光照射進堿金屬原子氣室后，堿金屬原子從基態躍遷到激發態[7]，堿金屬原子產生自旋極化。

圖1 SERF原子磁強計的工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working principle of SERF atomic magnetometer

在外界弱磁場的作用下，堿金屬原子會發生拉莫爾進動[8-9]，另一束線偏振探測光垂直于泵浦光照射進堿金屬氣室，用于檢測原子自旋的拉莫爾進動，外界磁場強度與拉莫爾進動頻率之間的關系為

式中： ω 為拉莫爾進動頻率；B為外界磁場強度； ‖ ‖ 表示范數； γ 為堿原子磁旋比。原子磁強計測量磁場中自旋極化原子的拉莫爾進動頻率就可間接得到磁場的大小，從而達到了磁場測量的目的。

原子磁強計基本靈敏度由散粒噪聲 δB限制，其表達式為

式中：n為原子數密度；T2為橫向自旋弛豫時間；V為測量體積；t為測量時間。

在自旋進動足夠慢的SERF體系中，即ω/RSE?1 ，其中 ω 是拉莫爾進動頻率，RSE是自旋交換率，SERF原子磁強計中原子自旋的動力學過程可以用Bloch方程來描述[8]，即

式中：S為抽運光束的光子極化率；q為減速因子； γe為電子旋磁比；B為外加磁場矢量；Rp為光抽運速率；s為電子自旋矢量；z為抽運光方向的單位矢量。Rrel為除光抽運速率外的所有退偏振速率之和。

在無磁場干擾的理想條件下，可以得到平衡自旋極化S0，其表達式為[10]

此外，為了簡化運算過程，引入一個無量綱的參數 β ，其表達式為

當磁場變化緩慢時，可將 dS/dt設為0，即可求得方程的穩態解為

式中，Bx、By、Bz和Sx、Sy、Sz分別表示x軸、y軸和z軸的磁感應強度和原子極化率。通過該式可以得到不同方向原子自旋極化率與磁場之間的關系，在實驗中使用原子磁強計檢測三個方向的原子自旋極化率即可測得磁場。

2 研究進展

對于SERF原子磁強計，通常需要較高的溫度來保證高飽和蒸氣密度以實現SERF態，以及盡可能小的溫度梯度來使原子極化更為均勻。堿金屬氣室是超高靈敏磁場和慣性測量的靈敏核心，原子源種類決定了測量靈敏度的極限。SERF磁強計氣室內的堿金屬原子通常為鉀原子、銣原子、銫原子或者其雜化構成。本文根據堿金屬蒸氣源對SERF磁強計的研究進行分類。

2.1 鉀原子SERF磁強計

普林斯頓大學前期主要針對鉀原子SERF磁強計進行研究。Allred等[5]在2002年將鉀原子SERF磁強計加熱到190 ℃，首次實現SERF態，磁強計靈敏度為在生物磁成像方面很有潛力；2003年，Kominis等[6]將鉀原子SERF磁強計加熱到180 ℃，測量體積為0.3 c m3，靈敏度為Dang等[11]在2010年將鉀原子SERF磁強計加熱到200 ℃，測量體積為0.45 c m3，靈敏度為該磁強計可廣泛應用于探索古地磁、磁性納米粒子的檢測[12]、核磁共振[13]、和弱高溫鐵磁排序[14]等領域，且在對弱磁場巖石樣品測量時，靈敏度優于SQUID磁強計。

Gusarov等[15-17]于2009年將鉀原子SERF磁強計加熱到180 ℃，利用光電二極管陣列對垂直于探測激光束的氣室進行逐層抽運，實現了三維場的測量，測量體積為2 c m3，靈敏度為于2018年采用析因設計技術，提高了鉀原子SERF磁強計單氣室內磁場分布的測量精度，適用于測量電流磁偶極子形成的交流磁場和靜電磁場；于2019年優化了多通道校準技術和信號處理方法，在存在殘余磁場的情況下精確測量三維磁場分布，并可進行多位置測量。2015年，日本京都大學Kamada等[18]將鉀原子SERF磁強計加熱到180 ℃，通過一個探測光束的磁光旋轉直接獲得氣室內兩個不同測量區域的差分輸出，降低環境磁噪聲，提高了SERF態光泵梯度儀的靈敏度和信噪比。

2018年，北京航空航天大學劉學靜等[19]將鉀原子SERF磁強計加熱到200 ℃，鉀原子數密度約為 7 .14×1016cm?3，利用貝爾布盧姆磁強計[2]中采用的偏振調制技術來確定SERF線寬，用液晶調制器來調制泵浦光的偏振，減小了獲取橫向弛豫的擬合誤差。2019年，趙俊鵬等[20]通過最大化零場諧振信號的一階微分值來實現沿泵浦方向和探頭方向的磁場同步補償，使用磁強計的直流響應補償垂直于泵-探頭平面的磁場，為獲取最佳補償分辨率，其將鉀原子SERF磁強計加熱到200 ℃，最終對探頭、泵浦和垂直于泵浦-探頭平面方向的補償分辨率分別為9 pT，7 pT和0.05 pT。隨后，其又將鉀原子SERF磁強計[21]加熱到170 ℃，鉀原子數密度約為 3 .7×1013cm?3，并從旋進頻率的慢化因子中提取自旋極化，利用瞬態響應精確測量了磁強計自旋極化及分布，不受氣室光學深度影響。2021年，Xing等[22]提出了一種基于噪聲分離的探頭特征模型，并在鉀原子SERF磁強計系統進行實驗，證明了主要噪聲類型隨信號頻率而變化，闡明了噪聲源成分，使抑制過程更有針對性以提高靈敏度，可用于原子磁強計的調制、微分或吸收探測系統。

2.2 銣原子SERF磁強計

威斯康星大學麥迪遜分校學者[9][23-24]致力于研究銣原子SERF磁強計，該校學者于2006、2012、2019年將銣原子SERF磁強計加熱到188 ℃、140-180 ℃、175 ℃，分別達到的靈敏度。2010年，在桑迪亞國家實驗室[25]，銣原子SERF磁強計被加熱到190 ℃，實現了優于的靈敏度。同年，在美國國家標準與技術研究所(NIST)，銣原子SERF磁強計[26]被加熱到200 ℃，實現了的靈敏度。2014年，在韓國標準科學研究院(KRISS)，一臺多通道銣原子SERF磁強計[27]被加熱到180 ℃，實現了的梯度靈敏度。2018年，英國諾丁漢大學Boto等人[28]將銣原子SERF磁強計加熱到150 ℃，達到的靈敏度。

2017年，東南大學Wu等[29]將銣原子SERF磁強計加熱至140 ℃，在緩沖壓力為0.2、0.88、2.35 amg時，磁強計分別達到900、500和的靈敏度，證明了高壓緩沖氣體可有效減少因氣室尺寸變小而產生的壁面碰撞。2018年，東南大學Ji等[30]設將采用芯片級球型氣室的銣原子SERF磁強計加熱到150 ℃后，分別在三種不同壓力緩沖氣體下測量該球型氣室中銣原子的計劃壽命，測量結果均優于平面氣室，實現了的靈敏度。2019年，吉林大學Zhang等[31]通過阻尼振蕩曲線擬合測得的頻率和磁場增量，測量弱極化堿金屬蒸氣的旋磁比，快速識別SERF磁強計中銣原子的工作狀態，實現的靈敏度，為在便攜式平臺上構建超靈敏原子磁強計提供了可能。2020年，北京航空航天大學FANG等[32]為了同時實現超高空間分辨率和超高磁場靈敏度，提出了一種將數字微鏡器件作為空間光調制器的25通道銣原子SERF原子磁強計，將其加熱到160 ℃，平均靈敏度約為，適用于磁性顯微鏡技術中觀察材料的微特性。同年，東南大學Liu等[33]設計了一種基于MEMS的銣原子SERF磁強計，實現了弱磁信號的測量，為磁強計小型化研究做出貢獻。此外，北京未磁科技有限公司推出以銣原子同位素作為傳感系綜的商用多通道零場原子磁力計，靈敏度為可應用于生物醫療、地球物理、安全檢測、軍事國防等領域實現高靈敏度磁場測量。

2.3 銫原子SERF磁強計

2008年，加州大學伯克利分校的一種銫原子SERF磁強計[34]被加熱到103 ℃，達到的靈敏度，銫原子蒸氣濃度約為 1.7×1013cm?3；2014年，該校Patton等[35]介紹了一種去除技術噪聲后靈敏度可達的全光法銫原子磁強計，其通過有效地沿正交軸調制磁場、解調磁共振頻率來增加矢量能力，利用蒸氣室中的非線性磁光旋轉來測量磁場的大小和方向。2014年北京航空航天大學房建成等[36-37]將銫原子SERF梯度儀加熱到120 ℃，通過附加的法拉第旋轉調制器抑制探測光束強度噪聲與熱噪聲，采用雙光束差來消除共模非磁性技術噪聲，實現了的梯度靈敏度；并于2015年將銫原子SERF磁強計加熱到85 ℃，實現了的單通道靈敏度。2016年，意大利錫耶納大學Bevilacqua等[38]研發了一種靈敏度為的多通道銫原子SERF磁強計，發現氣室加熱到45 ℃后，銫原子蒸氣密度開始增加。該磁強計能夠在探測光束橫截面上進行偏振測量，使在不同基線和順序上進行差分測量和梯度檢測成為可能。2017年，北京大學科研人員[39]將一銫原子磁強計加熱到120 ℃，實現的靈敏度，其中銫原子密度約為 5×1013cm?3，該磁強計可用于探測人類神經元磁 場。

2.4 鉀-銣原子SERF磁強計

氣室中含有兩種或兩種以上的堿原子的磁強計稱為混合抽運磁強計，該磁強計利用自旋交換光抽運[40]實現電子自旋極化，即泵浦光偏振一種原子，該原子極化后再對另外一種原子進行復極化，具有減小光深和均勻自旋極化[41]的優點。目前，關于混合抽運SERF磁強計的研究主要為鉀-銣原子SERF磁強計，其氣室內的堿金屬密度比是磁強計設計的重要參數。

普林斯頓大學的Romails等[42]于2010年偶然發現被微量銣原子污染的鉀原子泵浦的靈敏度高于純凈鉀原子，首次演示了混合泵式原子磁強計。日本京都大學的Ito等[43-45]于2011-2013年針對鉀-銣原子混合抽運磁強計進行系統性研究，確定了鉀-銣雜化原子的泵浦效率大于單個原子，泵浦鉀原子探測銣原子的敏感度最高，實現了的超高靈敏度磁強計，并且應用速率方程對混合磁強計的性質理論研究后得出當鉀原子與銣原子密度比為1：200時，能夠獲得最佳的靈敏度。2016年，Ito等[46]在考慮了自旋極化空間分布的影響時研究了鉀-銣原子 Bloch方程，進一步確定鉀原子與銣原子的最佳密度比為1∶400，其中鉀原子密度為3× 1 019m?3，其可使輸出信號最大化，提高了空間均勻性。

2014年，北京航空航天大學[47]]鉀-銣原子SERF磁強計在加熱溫度為195 ℃時實現了的梯度靈敏度。2018年，Li等[48]將鉀-銣原子雙軸SERF磁強計加熱到180 ℃，利用傳遞函數分析法研究其頻率響應與動力學特性，通過磁場優化后靈敏度為；Han 等[49]將鉀-銣原子密度比為1∶180的全光法SERF原子磁強計加熱到200 ℃，提出檢測原子拉莫爾進動頻率的聲光調制檢測法，通過在大光斑上選取幾個點來擴大探測光束的尺寸，實現了的磁場靈敏度，適用于小型多通道原子磁強計；李陽等[50]將鉀-銣原子密度比為1∶180的SERF磁強計加熱到210 ℃，采用左右圓偏振光磁補償法快速確定交流位移零點，使用混合光泵浦法消除了交流位移。隨后其又在研究中[51]發現鉀-銣混合氣室的堿金屬最佳密度比為1∶277，并通過調整配比優化泵浦激光參數使?磁強計靈敏度達到。2019年，QUAN等[52]將鉀-銣原子密度比為1∶70的SERF磁強計加熱到200 ℃，并用多基因遺傳規劃算法對其噪聲建模后進行降噪，顯著提高了磁強計在低頻頻段的靈敏度，從而提高磁場測量系統精度。

2.5 小結

堿金屬原子飽和蒸氣壓各不相同，因此其所需加熱溫度不同。表1列出了上述文章中較有代表性的一些不同堿金屬原子的加熱溫度和實測靈敏度值。由表1可以看出，在相同密度下，鉀原子所需加熱溫度較高，銫原子所需加熱溫度較低，因此銫原子SERF磁強計更適用于低溫應用領域。在單一堿金屬原子磁強計中，基于鉀原子的SERF磁強計靈敏度最高，其次是銣原子與銫原子。在混合抽運磁強計中，主要為關于鉀-銣原子混合抽運SERF磁強計的研究，并已實現極高靈敏度，展現出其實用價值與優良前景。

表1 不同堿金屬原子的加熱溫度及其實測靈敏度Tab.1 Heat temperature and measured sensitivity of different alkali metal atoms

3 應用前景

SERF原子磁強計具有較高的靈敏度，對超高精度磁場測量具有重要意義，廣泛應用于生物醫學、古地磁探索[10]、航空磁探測[31]、宇宙軸子自旋進動實驗、探測類磁場效應[53]等領域。其中，宇宙軸子自旋進動實驗指通過核磁共振技術測量由軸子或軸子樣粒子暗物質引起的核自旋振蕩扭矩，SERF磁強計因在低頻區具有高靈敏度而在該領域十分有競爭力。2017年，王濤等[54]將SERF原子磁強計引入到宇宙軸子自旋進動實驗，通過使用超導磁通變壓器有效地消除大磁場以保證其SERF態，該磁強計靈敏度約為可用于宇宙軸子自旋進動實驗的核磁共振檢測。此外，在SERF態下工作的核自旋共磁強計[55-56]具備探測慣性旋轉和抑制環境磁場干擾的能力，在導航領域前景優良。在SERF磁強計的眾多應用中，最具潛力的是在生物醫學領域進行生物磁場測量，下面將詳盡描述其在該領域的研究情況。

SERF磁強計在生物醫學中主要應用于心磁圖（MCG）和腦磁圖（MEG）。心磁圖是研究心臟生物活性的重要手段，通過磁強計記錄心臟活動引起的弱磁場變化來可視化心肌活動，是一種無接觸、無創的成像技術。腦磁圖是一種通過測量頭皮神經電流產生的磁場實現人腦的電生理直接成像的腦功能成像技術。通常使用超導量子干涉儀檢測心臟和腦部弱磁信號，但其必須安裝在液氮杜瓦瓶中，成本昂貴、體積龐大。測量時需真空空間[28]將磁強計與頭皮分隔開，會因個體差異性而影響測量效果，還限制了嬰兒及無法控制自己行為的特殊患者進行檢測。SERF原子磁強計在實現超高精度磁場測量時可以規避以上問題，正在成為磁成像領域的有力工具，在生物磁場測量中發揮著越來越重要的作用。

2003年，Kominis等[6]通過簡單的多通道操作成功獲取了腦磁場信號，使個體大腦皮層模塊的非侵入性研究成為了可能。SERF磁強計于2006年左右達到與超導量子干涉儀相當的靈敏度和空間分辨率，普林斯頓大學Xia等[57]使用鉀原子SERF磁強計檢測并繪制聽覺刺激誘發的腦磁場，采用線性光電探測陣列獲得六通道腦信號，其梯度靈敏度達到該磁強計亦可應用于心磁圖等生物磁測量。2012年，威斯康星大學麥迪遜分校Wyllie 等[23]采用每個磁強計可獨立定位的四通道SERF原子磁強計成功獲得成人心磁圖。該校學者于2019年[27]通過在泵浦方向上施加一個小直流偏置場和一個梳狀流π脈沖實現了一種新型SERF矢量磁強計，抑制了1/f探針噪聲，能夠在兩個方向進行同步檢測，使多個傳感器進行精確梯度測量成為可能，尤其適用于快速心磁圖等生物磁學應用領域。2020年，中國科學院張樹林和曹寧[58]利用兩個光泵磁強計在SERF態下構造了一個合成梯度儀，分別以兩個獨立的磁強計作為信號傳感器和參考傳感器來實現梯度測量，有效地抑制殘留的環境場，達到了小于的靈敏度，成功測量了MCG信號。

腦磁場比心磁場的磁信號要弱100倍左右，所以檢測起來將會更有挑戰性，桑迪亞國家實驗室在該研究領域成果頗多。在2010年，Johnson等[25]使用光纖耦合的銣原子SERF磁強計測量人腦磁場，該磁強計的泵浦與檢測光束參數可通過獨特的雙色泵浦探測技術進行調整和優化，成功探測到了正中神經和聽覺刺激的腦磁響應信號。2016年，Colombo等[59]研究了一種采用無源衍射光學元件的四通道光泵浦原子磁強計，無源衍射光學元件將一束入射激光分為四束，簡化光學組件的對準，向每個一階光斑提供近似相同的激光功率，使各通道磁場均勻性增強，實現了小于的梯度靈敏度，適用于腦磁圖領[60]域。2017年，Borna等 開發了一種由20光泵磁強計通道在SERF態下探測人類腦磁場的腦磁圖系統，通過在平均誘發波形中識別標準峰，實現了對聽覺和觸覺的腦磁信號的高質量記錄，為全頭覆蓋的更多通道SERF磁強計陣列的發展提供了可能。該團隊[61]于2019年研制了一種用于檢測任意電流分布產生的磁場圖的脈沖光泵SERF磁強計陣列，該陣列具有24個OPM通道，靈敏度為，成功重建了平面二維線圈的電流密度圖像，展現了光泵式SERF磁強計在生物磁成像領域的出色潛力。

2014年，韓國標準科學研究院Kim等[27]在一種幾何結構中測量徑向磁場作為距離源的函數，在另一種幾何結構使用相同的傳感器測量磁場的兩個切向分量，優化了MEG檢測多通道系統，該磁強計梯度靈敏度可達，成功地測量和定位人類大腦活動的聽覺誘發場。2017年，北京大學Sheng等[39]使用一種基于銫(Cs)的泵浦-探針雙光束結構SERF磁強計來探測人類神經元磁場，靈敏度約為，展現了其在腦磁圖應用中的可能性。2018年，浙江工業大學黃圣潔等[62]設計了高靈敏度非低溫銣原子SERF磁強計，其靈敏度在15 Hz處達到了，清楚地檢測到在睜眼與閉眼誘發時大腦磁場的微小差異，有利于實現小型化的全頭腦磁圖傳感器陣列。同年，該高校Zhang等[63]開發了一種基于單個氣室的小型多通道原子磁強計，每個通道均可實現的靈敏度，可清晰的觀察到聽覺誘發的反應，有實現特定大腦區域的超精細功能成像的潛力。英國諾丁漢大學Boto等[28]使用美國Quspin公司出品的商用多通道光泵式SERF磁強計陣列進行腦磁探測，首次實現了人在運動狀態下的腦磁測量，展示了可穿戴神經成像準確評估大腦功能的能力。2019年，中國科學院和云南大學合作研制了一種微型四通道光泵式SERF原子磁強計[64]，在每個通道都觀測到穩態視覺誘發電位反應，靈敏度均優于，其高分辨率足夠MEG應用。隨后，該團隊杜鵬程等[65]用該磁強計對健康受試者的穩態視覺誘發電位(SSVEP)信號的磁場進行檢測，梯度靈敏度為，證明其在生物磁場測量和腦機接口中應用潛力巨大。2020年，波蘭華沙理工大學科研人員[66]為美國Quspin公司零場光泵式SERF磁強計(Gen-1)設計了一套基于方形亥姆霍茲線圈的低成本三軸補償系統，減少了磁屏蔽室內的靜態環境場，提升了磁強計性能，該系統適用于人體生物磁場測量。

4 結 論

綜上所述，SERF原子磁強計在技術上的研究已較為成熟，近幾年來主要轉向針對于應用方向的研究，并且在諸多領域都取得豐碩的研究成果，與腦科學的結合已成為重要發展方向。其中，關于SERF原子磁強計小型化的工作在科研和產業化兩方面都有很大進展，多通道SERF磁強計在生物磁場測量上的優質潛力更是有目共睹，尤其是在心磁圖與腦磁圖方面，使非侵入性的心臟與腦部檢測有了突破性進展。SERF原子磁強計具有廣闊的應用前景，對生物醫學，地磁勘探、航空探測、磁性納米粒子檢測、宇宙軸子自旋進動實驗等眾多領域的發展具有重要的推動作用。

目前，SERF磁強計的靈敏度尚未達到極限，小型化SERF原子磁強計的靈敏度仍有提升空間，盡管其已實現了極高靈敏度，但相比于實驗室大裝置SERF磁強計來說還有一定差距。其次，SERF原子磁強計的成本還有降低空間，基于MEMS的氣室研究將進一步降低其氣室成本，以便于更好地進行腦科學等相關應用的研究，促進其發展。此外，SERF原子磁強計應用時基本上仍需要處在無磁環境的屏蔽房內，因此解決其在地磁環境下的應用也很重要，這將使其擴展更廣泛的應用領域，如磁異常探測、軍事反潛等。