超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量科學(xué)裝置與零磁科學(xué)展望綜述

房建成，魏凱，江雷，向岷，陸吉璽

1. 北京航空航天大學(xué) 大科學(xué)裝置研究院，北京 100191 2. 杭州極弱磁場(chǎng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施研究院，杭州 310051 3. 中國(guó)科學(xué)院 理化技術(shù)研究所，北京 100080 4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 未來(lái)技術(shù)學(xué)院，北京 100049

隨著國(guó)際單位制中7個(gè)基本計(jì)量單位的全部量子化，計(jì)量與測(cè)量技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入量子精密測(cè)量的時(shí)代。基于量子能級(jí)、量子相干性或自旋糾纏效應(yīng)進(jìn)行精密測(cè)量，具有超越經(jīng)典測(cè)量極限的超高靈敏度和精度的優(yōu)勢(shì)[1]，目前基于量子精密測(cè)量的各項(xiàng)應(yīng)用正在走向?qū)嵱没型诙唐趦?nèi)產(chǎn)生廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，因而成為量子信息技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向[2]。其中，基于原子自旋效應(yīng)的量子精密磁場(chǎng)與慣性測(cè)量技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，伴隨著測(cè)量靈敏度跨越式提升，超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量裝置與儀器在生物磁信號(hào)測(cè)量、基礎(chǔ)物理探索、國(guó)家戰(zhàn)略安全、深空探測(cè)和零磁科學(xué)研究等領(lǐng)域，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[3-7]，如圖1所示。

在生物磁信號(hào)測(cè)量方面，運(yùn)用超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)探測(cè)人體器官和組織產(chǎn)生的極弱磁場(chǎng)，有望解決疑難疾病診斷評(píng)估等重大難題。現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)成像手段分為結(jié)構(gòu)成像和功能成像兩大類(lèi)。結(jié)構(gòu)成像手段包括X射線、CT、B超、結(jié)構(gòu)磁共振等，其目的是探測(cè)人體結(jié)構(gòu)，目前發(fā)展已較為成熟，在器質(zhì)性疾病的研究和診療方面做出了巨大貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)探測(cè)人體功能的成像手段包括功能磁共振等，目前還難以完全滿足醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用的廣泛需求。利用極弱磁場(chǎng)成像測(cè)量技術(shù)，對(duì)人體極弱磁信號(hào)進(jìn)行超高靈敏檢測(cè)和成像，在靈敏度、分辨率、靈活性等方面顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)[8]，彌補(bǔ)現(xiàn)有人體功能成像方法的不足，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體功能信息全面深入的獲取和分析，揭示心腦等重大疾病的極弱磁信號(hào)特征規(guī)律，發(fā)現(xiàn)特異性的生物標(biāo)志物，助力疾病機(jī)理研究、早期診斷和預(yù)后評(píng)估，為人體功能信息學(xué)的發(fā)展提供新一代高性能技術(shù)手段，支撐高端醫(yī)療裝備的發(fā)展，服務(wù)于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用。

在前沿基礎(chǔ)物理領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)模型近乎完美地描述了基本粒子的特性，是物理學(xué)領(lǐng)域最重要的成就之一，但是仍存在無(wú)法解釋暗物質(zhì)來(lái)源、無(wú)法兼容引力相互作用等核心問(wèn)題[9]。這些超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理現(xiàn)象推動(dòng)了超標(biāo)準(zhǔn)模型的建立，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段進(jìn)行模型自洽性檢驗(yàn)是驗(yàn)證新物理理論的有效途徑。超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量裝置在暗物質(zhì)探測(cè)(軸子和類(lèi)軸子)、CPT(Charge conjugation, Parity inversion, Time reversal)和洛倫茲(Lorentz)對(duì)稱(chēng)性破缺驗(yàn)證、第五種力測(cè)量等方面，取得了重要的研究進(jìn)展，創(chuàng)造了多項(xiàng)指標(biāo)紀(jì)錄[10-13]。另外，固有電偶極矩測(cè)量(Electric Dipole Moment, EDM)可解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)存在差別的原因，為宇宙起源的研究提供支撐，基于超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量裝置開(kāi)展EDM測(cè)量是對(duì)傳統(tǒng)研究方法的有效補(bǔ)充[14]。因而超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量裝置為重大基礎(chǔ)物理學(xué)命題的研究提供了一種有效的新途徑，有望產(chǎn)生新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

在國(guó)家戰(zhàn)略安全方面，慣性導(dǎo)航是唯一不受外界干擾的全自主導(dǎo)航技術(shù)，安全性和可靠性高。國(guó)家戰(zhàn)略安全領(lǐng)域?qū)τ诟呔鹊膽T性導(dǎo)航技術(shù)有著迫切需求，急需基于新機(jī)理的超高精度陀螺儀技術(shù)[15]。超高靈敏慣性測(cè)量裝置支撐研制的原子陀螺儀理論零偏穩(wěn)定性可達(dá)10-8(°)/h量級(jí)，已經(jīng)成為下一代超高精度陀螺儀的重要發(fā)展方向之一[16-17]，因此研制超高精度原子陀螺儀，有望占據(jù)量子慣性導(dǎo)航的發(fā)展先機(jī)。另外，水下目標(biāo)磁異常探測(cè)具有識(shí)別能力強(qiáng)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種探測(cè)水下航行器的有效方式[18]。國(guó)內(nèi)外在磁異常探測(cè)中普遍采用光泵磁強(qiáng)計(jì)，目前高靈敏度光泵磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度為亞pT/Hz1/2量級(jí)[19]，且國(guó)外產(chǎn)品對(duì)中國(guó)禁運(yùn)。因此，超高靈敏度磁強(qiáng)計(jì)是“引不進(jìn)、買(mǎi)不來(lái)”的核心關(guān)鍵部件，急需研究基于新機(jī)理的新一代更高靈敏度磁異常探測(cè)手段。基于原子自旋效應(yīng)的超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置的靈敏度已實(shí)現(xiàn)亞fT/Hz1/2量級(jí)[20]，有望為磁異常探測(cè)磁強(qiáng)計(jì)的研制提供一種變革性的新技術(shù)，支撐我國(guó)磁異常探測(cè)能力的提升。

在深空探測(cè)方面，磁場(chǎng)測(cè)量是研究宇宙形成機(jī)制、推演行星演化過(guò)程和分析星體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等空間科學(xué)問(wèn)題的重要手段。20世紀(jì)中葉以來(lái)，航天器開(kāi)始搭載各類(lèi)磁場(chǎng)傳感器探索宇宙磁場(chǎng)分布，測(cè)量了月球、火星和太陽(yáng)等星體的磁場(chǎng)，促進(jìn)了許多重大空間科學(xué)的發(fā)現(xiàn)[21,22]。磁通門(mén)是最常用的深空磁場(chǎng)探測(cè)載荷，具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，但其靈敏度和漂移等指標(biāo)難以滿足未來(lái)對(duì)深空極弱磁場(chǎng)探測(cè)的需求[23]。超高靈敏度極弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置是迄今靈敏度最高的磁場(chǎng)測(cè)量手段[24]，為探測(cè)深空極弱磁場(chǎng)提供了一種新手段，將為驗(yàn)證宇宙起源和演化等理論提供有力支撐。超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)與深空磁場(chǎng)探測(cè)的交叉融合，有望推動(dòng)天文學(xué)、天體物理學(xué)等領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)。

在零磁科學(xué)研究方面，地球上約50 μT的地磁場(chǎng)環(huán)境，為地球生命的起源和繁衍提供了根本保障，人類(lèi)對(duì)磁場(chǎng)的研究由來(lái)已久。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁場(chǎng)與其他學(xué)科的交叉融合煥發(fā)出勃勃生機(jī)，但近零磁條件下極弱磁場(chǎng)精密調(diào)控的零磁科學(xué)基礎(chǔ)研究依然處于空白狀態(tài)。超高靈敏磁測(cè)量、高性能磁屏蔽和精密磁場(chǎng)操控等技術(shù)的迅猛發(fā)展，為零磁科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。依托超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量科學(xué)裝置，在極弱磁場(chǎng)環(huán)境、精密磁場(chǎng)操控和超高靈敏磁測(cè)量等方向深厚的技術(shù)基礎(chǔ)和前瞻引領(lǐng)的研究規(guī)劃，開(kāi)展從“0”到“1”的零磁基礎(chǔ)科學(xué)研究，聚焦“零磁”環(huán)境下的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)科學(xué)命題，有望發(fā)現(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、揭示新的作用機(jī)理、建立新的系統(tǒng)理論，發(fā)展新方法，開(kāi)創(chuàng)零磁科學(xué)全新的研究方向。

本文針對(duì)繼續(xù)沖擊超高靈敏度測(cè)量紀(jì)錄、打造國(guó)際領(lǐng)先極弱磁場(chǎng)環(huán)境、以及深化和拓展上述應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析和探討。首先，本文對(duì)超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量科學(xué)裝置和基礎(chǔ)研究的工作原理、系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行介紹。然后，對(duì)原子磁強(qiáng)計(jì)和高性能零磁空間的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論限制性能指標(biāo)進(jìn)一步提升的關(guān)鍵問(wèn)題。最后，基于超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量科學(xué)裝置，利用極弱磁場(chǎng)環(huán)境、超高靈敏磁測(cè)量和精密磁場(chǎng)操控方法，開(kāi)展零磁醫(yī)學(xué)、零磁生物學(xué)、零磁化學(xué)和零磁材料學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，展望建立零磁科學(xué)研究新方向。

1 超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量及基礎(chǔ)研究

1.1 超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置

弱磁測(cè)量的發(fā)展歷程如圖2所示。在弱磁測(cè)量領(lǐng)域，常用的基于電磁感應(yīng)定律的磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)，靈敏度為0.1～1 nT/Hz1/2量級(jí)(1 nT=10-9T)；基于電子共振的光泵磁強(qiáng)計(jì)靈敏度可提高3個(gè)量級(jí)，達(dá)到0.1～1 pT/Hz1/2量級(jí)(1 pT=10-12T)；基于超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化的超導(dǎo)量子干涉儀靈敏度可以達(dá)到fT/Hz1/2量級(jí)(1 fT=10-15T)，靈敏度又提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，但需要液氦冷卻，成本較高且不便移動(dòng)。2002年普林斯頓大學(xué)物理系Romalis小組首次將無(wú)自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free, SERF)效應(yīng)應(yīng)用于磁場(chǎng)測(cè)量[25]，于2003年在28～45 Hz頻段內(nèi)梯度差分模式下實(shí)現(xiàn)了0.54 fT/Hz1/2的靈敏度，超越超導(dǎo)量子干涉儀，首次進(jìn)入亞fT/Hz1/2水平，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的磁測(cè)量世界紀(jì)錄[26]；之后又在2010年將40 Hz頻率處梯度差分模式下的靈敏度指標(biāo)進(jìn)一步提升至0.16 fT/Hz1/2[20]。利用該技術(shù)理論可實(shí)現(xiàn)aT/Hz1/2量級(jí)(1 aT=10-18T)的靈敏度。

基于SERF原子自旋的極弱磁場(chǎng)測(cè)量工作原理是利用磁屏蔽裝置創(chuàng)造的近零磁環(huán)境大幅降低堿金屬原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，同時(shí)通過(guò)提高其原子密度增加自旋交換率，在自旋交換率遠(yuǎn)大于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，原子的自旋交換弛豫得到充分抑制，實(shí)現(xiàn)SERF狀態(tài)，從而可以在極高的原子密度下實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間，提高極弱磁場(chǎng)的測(cè)量靈敏度。

基于SERF原子自旋的極弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括核心物理系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、隔振臺(tái)、電子測(cè)控系統(tǒng)等。其中，光學(xué)系統(tǒng)包括抽運(yùn)光路和檢測(cè)光路，抽運(yùn)光路用于極化原子，檢測(cè)光路用于檢測(cè)原子自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)，隔振臺(tái)用于隔離環(huán)境振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，電子測(cè)控系統(tǒng)則用于采集和控制系統(tǒng)的光電信號(hào)。核心物理系統(tǒng)主要包括多層坡莫合金磁屏蔽、低噪聲鐵氧體磁屏蔽、三維磁場(chǎng)線圈、真空腔、無(wú)磁電加熱、堿金屬氣室等。裝置的核心敏感元件是位于系統(tǒng)中心的原子氣室，氣室內(nèi)部封裝堿金屬原子及緩沖和淬滅氣體，用于敏感極微弱磁場(chǎng)的變化；無(wú)磁電加熱模塊用于對(duì)堿金屬氣室進(jìn)行高溫加熱；多層坡莫合金磁屏蔽、低噪聲鐵氧體磁屏蔽、以及三維磁場(chǎng)線圈為原子提供一個(gè)極低剩磁和極低磁噪聲的近零磁環(huán)境[27]。

處于SERF態(tài)下的原子自旋敏感磁場(chǎng)的基本過(guò)程為：當(dāng)存在待測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，原子自旋將在這一磁場(chǎng)的作用下發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)，引起原子自旋方向的變化；通過(guò)檢測(cè)激光可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子自旋進(jìn)動(dòng)的檢測(cè)，并最終轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。裝置輸出信號(hào)的噪聲譜通常用于表征磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度。但是，由于超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量裝置的原子自旋測(cè)量靈敏度遠(yuǎn)優(yōu)于所處磁屏蔽裝置內(nèi)的背景磁噪聲，因此裝置單一通道輸出信號(hào)的噪聲譜難以表征其自身真實(shí)的靈敏度水平。需要采用梯度差分測(cè)量的方式，將同一氣室內(nèi)相鄰?fù)ǖ赖男盘?hào)相減，從而抑制磁屏蔽的共模磁場(chǎng)噪聲，之后再進(jìn)行噪聲譜分析得到其梯度差分測(cè)量模式下的靈敏度，該指標(biāo)反映的是裝置自身真實(shí)的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度水平。

2019年北京航空航天大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)北航)研究團(tuán)隊(duì)研制的超高靈敏原子自旋磁場(chǎng)測(cè)量裝置，在30～39 Hz頻段范圍內(nèi)梯度差分模式下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于0.1 fT/Hz1/2的靈敏度指標(biāo)。同時(shí)北航研究團(tuán)隊(duì)于2021年獲批了國(guó)家發(fā)改委重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的科研和建設(shè)任務(wù)，圍繞高性能磁屏蔽空間和超高靈敏極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量科學(xué)裝置，開(kāi)展基礎(chǔ)科學(xué)探索和技術(shù)應(yīng)用研究，服務(wù)國(guó)家“四個(gè)面向”的發(fā)展規(guī)劃。在重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的支持下，將進(jìn)一步開(kāi)展更高靈敏度的極弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置的研制工作，計(jì)劃2026年在20～100 Hz頻段內(nèi)梯度差分模式下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)靈敏度指標(biāo)達(dá)到0.015 fT/Hz1/2，為前沿基礎(chǔ)物理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生命科學(xué)以及零磁科學(xué)的研究提供平臺(tái)，同時(shí)支撐高靈敏度原子磁強(qiáng)計(jì)的研制。實(shí)現(xiàn)該靈敏度具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性，其難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1)如何為原子自旋提供極端的低磁噪聲環(huán)境。解決這一難題需要研究高性能超低噪聲的磁屏蔽與磁補(bǔ)償技術(shù)，可能的技術(shù)途徑包括新型低噪聲磁屏蔽材料研制、超導(dǎo)線圈磁屏蔽技術(shù)、高均勻區(qū)磁場(chǎng)線圈及超精密電流源技術(shù)等。

2)如何抑制原子自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)噪聲對(duì)測(cè)量靈敏度的影響。解決這一難題需要研究超低噪聲的旋光角檢測(cè)技術(shù)，可能的技術(shù)途徑包括高性能激光器及其噪聲抑制技術(shù)、高壓縮度偏振壓縮態(tài)光場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)等[28]。

3)如何研制支撐更高靈敏度極弱磁測(cè)量的堿金屬原子氣室。解決這一難題需要研究大尺寸抗弛豫堿金屬氣室技術(shù)，可能的技術(shù)途徑包括原子源優(yōu)化配比、大尺寸耐腐蝕的玻璃氣室技術(shù)等。

1.2 超高靈敏原子自旋慣性測(cè)量裝置

超高靈敏原子自旋慣性測(cè)量利用光抽運(yùn)極化堿金屬原子，然后利用堿金屬原子和惰性氣體原子之間的自旋交換碰撞超極化惰性氣體核自旋，自旋極化的惰性氣體原子敏感慣性轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)而發(fā)生自旋進(jìn)動(dòng)，再利用堿金屬原子測(cè)量惰性氣體核自旋磁矩的進(jìn)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。通過(guò)工作在SERF態(tài)，利用原子間快速自旋交換碰撞抑制在外磁場(chǎng)中的自旋退相干進(jìn)動(dòng)，能有效抑制自旋交換弛豫，因而具有超高的理論靈敏度潛力[26]。

裝置主要包括核心物理系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、隔振支撐系統(tǒng)以及電子測(cè)控系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示[29]。核心物理系統(tǒng)由原子氣室、無(wú)磁電加熱、磁場(chǎng)線圈、真空腔體和磁屏蔽桶等組成，原子氣室參數(shù)決定了慣性測(cè)量的靈敏度潛力，磁屏蔽桶和磁場(chǎng)線圈為原子氣室提供低噪聲的弱磁場(chǎng)環(huán)境以及操控磁場(chǎng)。光學(xué)系統(tǒng)用于裝置中核自旋-電子自旋耦合系綜的操控以及原子自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)的精密探測(cè)。隔振支撐系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、被動(dòng)隔振裝置以及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)。電子測(cè)控系統(tǒng)為一套數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，用于進(jìn)行系統(tǒng)各種信號(hào)的采集、處理以及反饋。

這種效應(yīng)使得基于原子自旋的超高靈敏慣性測(cè)量裝置可以抑制低頻磁場(chǎng)擾動(dòng)，從而只敏感角速度和異常作用力[5]。

高效核自旋超極化和高均勻電子自旋極化是提升核自旋自補(bǔ)償抑制磁噪聲能力的關(guān)鍵[31]。為了抑制極化光場(chǎng)共振吸收導(dǎo)致的電子自旋極化梯度和核自旋超極化效率下降，該裝置中采用混合自旋交換光抽運(yùn)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)超極化率和自旋極化均勻性數(shù)量級(jí)的提升，該技術(shù)在基于惰性氣體核自旋的中子極化和肺部成像等研究中也有廣泛應(yīng)用。通常采用主方程[32]和Bloch方程組[33-34]描述超高靈敏慣性測(cè)量中堿金屬電子自旋和惰性氣體核自旋的耦合動(dòng)力學(xué)特性。超高靈敏慣性測(cè)量裝置的靈敏度由信號(hào)的噪聲譜表征，為提升測(cè)量靈敏度，需要對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)建模分析，并采取針對(duì)性方法進(jìn)行噪聲抑制。

北航研究團(tuán)隊(duì)在1 Hz的低頻段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1.8×10-6(°) s-1·Hz-1/2的慣性測(cè)量靈敏度指標(biāo)，和普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在南極實(shí)現(xiàn)的同頻段靈敏度相當(dāng)[35-36]。目前北航研究團(tuán)隊(duì)的超高靈敏原子自旋慣性測(cè)量裝置已應(yīng)用于第五種力測(cè)量和暗物質(zhì)的探索，將第五種力的相關(guān)參量指標(biāo)紀(jì)錄提升了數(shù)個(gè)量級(jí)[13]。同時(shí)普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的Brown等也利用超高靈敏原子自旋慣性測(cè)量裝置，將CPT對(duì)稱(chēng)性破缺異常場(chǎng)與中子相互作用參量的測(cè)量指標(biāo)紀(jì)錄提高到10-33GeV量級(jí)[10]；Smiciklas等將中子相關(guān)的Lorentz對(duì)稱(chēng)性破缺參量的指標(biāo)提升了2～4個(gè)量級(jí)[35]；Lee等[11]、Almasi等[6]將第五種力的相關(guān)參量指標(biāo)紀(jì)錄提升了數(shù)個(gè)量級(jí)。

未來(lái)在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施支持下，北航研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃2026年在1～100 Hz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)測(cè)量靈敏度達(dá)到2×10-8(°) s-1·Hz-1/2，有望實(shí)現(xiàn)暗物質(zhì)探測(cè)、第五種力測(cè)量、CPT和Lorentz對(duì)稱(chēng)性破缺驗(yàn)證等前沿基礎(chǔ)物理探索紀(jì)錄指標(biāo)數(shù)量級(jí)的提升，將為前沿科學(xué)探索提供新的可能。實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)，主要面臨如下難點(diǎn)：

1)如何實(shí)現(xiàn)磁噪聲和振動(dòng)噪聲等多源低頻噪聲的高效抑制。解決該難點(diǎn)的可能技術(shù)包括新型低噪聲鐵氧體和非晶合金等磁屏蔽材料研發(fā)、高溫超導(dǎo)磁屏蔽研制、核自旋自補(bǔ)償、主被動(dòng)組合隔振技術(shù)等。

2)如何突破光子散粒噪聲限制實(shí)現(xiàn)超高靈敏原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)。解決該難點(diǎn)的可能技術(shù)包括高穩(wěn)定低噪聲激光光源控制、偏振壓縮態(tài)光場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)、原子自旋系綜精密操控技術(shù)等。

3)如何制備高效超極化的混合原子氣室。解決該難點(diǎn)的可能技術(shù)包括低應(yīng)力殘留、高透光性、大尺寸耐腐蝕玻璃氣室制備，混合原子源精密充制與檢測(cè)，混合光抽運(yùn)和脈沖光抽運(yùn)，低噪聲無(wú)磁加熱等。

基于超高靈敏原子自旋慣性測(cè)量裝置，同步開(kāi)展集成化的SERF原子陀螺儀研制，其理論精度可達(dá)10-8(°)/h量級(jí)[37]。普林斯頓大學(xué)Romalis小組于2005年實(shí)現(xiàn)了0.04 (°)/h的零偏穩(wěn)定性[7]。2018年，美國(guó)Twinleaf公司研制了SERF原子陀螺儀原理驗(yàn)證裝置，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于0.01 (°)/h的零偏穩(wěn)定性[38]。另外，法國(guó)航空航天實(shí)驗(yàn)室(ONERA The French Aerospace Lab)于2013年開(kāi)始發(fā)展基于Rb-129Xe的SERF原子陀螺儀研究[39]。另外，航天13所也開(kāi)展了SERF原子陀螺儀技術(shù)的研究工作[40]。

北航研究團(tuán)隊(duì)于2011年在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)陀螺效應(yīng)，并達(dá)到147.9 (°)/h的零偏穩(wěn)定性；2015年成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)SERF原子陀螺儀原理樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)角速率標(biāo)定[17]，原理樣機(jī)如圖5所示；2020年，原理樣機(jī)的零偏穩(wěn)定性進(jìn)入10-3(°)/h量級(jí)[41]。在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施支持下，北航研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃深入開(kāi)展提升零偏穩(wěn)定性的機(jī)理方法研究，服務(wù)于新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)。

1.3 超高靈敏神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)研究裝置

神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)研究對(duì)探索生命奧秘、攻克人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)疾病等重大疾病具有重要意義。醫(yī)學(xué)成像測(cè)量技術(shù)為神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)研究提供了必要的檢測(cè)工具和手段，主要包括核磁共振、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描、電生理測(cè)量、磁生理測(cè)量等。其中，基于血氧飽和度的功能性磁共振成像僅能達(dá)到秒級(jí)時(shí)間分辨率，并且無(wú)法直接反應(yīng)腦活動(dòng)的總體激活情況；非侵入式生物電測(cè)量技術(shù)難以構(gòu)建精確的容積電流傳導(dǎo)模型，空間分辨率較低。傳統(tǒng)的生物磁測(cè)量技術(shù)無(wú)法滿足神經(jīng)科學(xué)和生命科學(xué)研究的需求，例如，基于超導(dǎo)量子干涉儀的磁測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)成本高，需要被試位置固定，信噪比和空間分辨率有限。由于目前神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)研究缺乏有力的測(cè)量工具和儀器，迫切需要超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量新手段。而利用安裝在近零磁空間中的超高靈敏SERF原子磁強(qiáng)計(jì)可直接測(cè)量出神經(jīng)發(fā)出的極弱磁信號(hào)，是一種變革性的新型被動(dòng)無(wú)損的精準(zhǔn)測(cè)量手段，有望成為未來(lái)神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)研究重要的儀器和工具。

超高靈敏神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)研究裝置包含以下關(guān)鍵部件：磁屏蔽系統(tǒng)、陣列式原子磁強(qiáng)計(jì)、神經(jīng)磁場(chǎng)誘發(fā)刺激系統(tǒng)、神經(jīng)磁場(chǎng)和功能信息采集和處理系統(tǒng)、神經(jīng)磁場(chǎng)和功能信息分析系統(tǒng)，裝置示意如圖6所示。

1)磁屏蔽系統(tǒng)：采用被動(dòng)磁屏蔽和主動(dòng)磁補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)超高性能的磁場(chǎng)屏蔽，滿足極弱磁測(cè)量對(duì)極低剩磁和磁噪聲的要求，為神經(jīng)信號(hào)測(cè)量和人體功能信息獲取提供穩(wěn)定的近零磁測(cè)量環(huán)境。

2)陣列式原子磁強(qiáng)計(jì)：是神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)研究裝置的核心組成部分，具備fT量級(jí)的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度，通過(guò)搭建可穿戴式的人體神經(jīng)磁場(chǎng)和功能信息測(cè)量裝置，覆蓋人體神經(jīng)系統(tǒng)和大腦功能分區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)信號(hào)的精準(zhǔn)檢測(cè)以及對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)功能的高清成像，滿足生命科學(xué)研究對(duì)神經(jīng)功能信息高精度獲取的全方位要求。

3)神經(jīng)磁場(chǎng)誘發(fā)刺激系統(tǒng)：結(jié)合神經(jīng)磁信號(hào)采集的環(huán)境要求，建立系統(tǒng)高效的誘發(fā)刺激系統(tǒng)。根據(jù)神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)研究要求，設(shè)計(jì)神經(jīng)信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)范式，向被試者施加視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、體感等刺激信號(hào)，以誘發(fā)人體神經(jīng)磁場(chǎng)，同時(shí)向數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)傳輸觸發(fā)信號(hào)，以進(jìn)行信號(hào)同步。

4)神經(jīng)磁場(chǎng)和功能信息采集和處理系統(tǒng)：對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)磁信號(hào)進(jìn)行采集、處理、正向模型建立、逆問(wèn)題求解等，獲取傳感器層級(jí)磁場(chǎng)信息和源層級(jí)磁場(chǎng)信息，對(duì)神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行毫秒級(jí)時(shí)間分辨率、毫米級(jí)空間分辨率的準(zhǔn)確探測(cè)和定位。

5)神經(jīng)磁場(chǎng)和功能信息分析系統(tǒng)：利用高精度源定位獲得的神經(jīng)源活動(dòng)信息及傳感器層級(jí)的事件相關(guān)信息，根據(jù)神經(jīng)區(qū)域活躍程度和不同神經(jīng)區(qū)域的響應(yīng)時(shí)間，基于信息理論，對(duì)神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行分析和可視化處理，探索結(jié)構(gòu)-功能耦合機(jī)制，揭示網(wǎng)絡(luò)連接與神經(jīng)功能間的相關(guān)性。

近年來(lái)，國(guó)際上相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)利用超高靈敏原子磁強(qiáng)計(jì)開(kāi)展了神經(jīng)信號(hào)測(cè)量研究[3]。北航研究團(tuán)隊(duì)研制的微小型原子磁強(qiáng)計(jì)，計(jì)劃于2026年在20～100 Hz頻段內(nèi)梯度差分模式下實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.1 fT/Hz1/2的靈敏度指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的超高靈敏探測(cè)，為高級(jí)認(rèn)知功能以及神經(jīng)信號(hào)產(chǎn)生、處理和傳導(dǎo)機(jī)理的研究提供更方便、更高靈敏度的技術(shù)手段，對(duì)于準(zhǔn)確理解人體的正常功能機(jī)制和神經(jīng)精神疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程、解決當(dāng)前神經(jīng)科學(xué)難題具有重要意義，有望實(shí)現(xiàn)神經(jīng)科學(xué)機(jī)理研究的重大突破，為揭示神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)本質(zhì)規(guī)律，開(kāi)辟新的研究途徑。

2 原子磁強(qiáng)計(jì)與零磁空間

2.1 高靈敏度原子磁強(qiáng)計(jì)

高靈敏度磁強(qiáng)計(jì)在弱磁計(jì)量測(cè)試、深空磁探測(cè)、磁異常探測(cè)等諸多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。目前低磁噪聲磁屏蔽艙在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域研究中的應(yīng)用越發(fā)廣泛，但是現(xiàn)有的弱磁計(jì)量測(cè)試裝置靈敏度有限，難以精確測(cè)量出磁屏蔽系統(tǒng)的噪聲水平。另外，我國(guó)現(xiàn)有深空磁探測(cè)載荷主要是磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)，靈敏度為0.1～1 nT/Hz1/2量級(jí)，并且在零偏、漂移和溫度穩(wěn)定性等方面存在不足。在磁異常探測(cè)方面，目前廣泛應(yīng)用的是光泵磁強(qiáng)計(jì)，靈敏度為0.1～1 pT/Hz1/2量級(jí)，未來(lái)需要進(jìn)一步提升靈敏度。SERF原子磁強(qiáng)計(jì)具有極高的理論靈敏度，有望為以上領(lǐng)域提供一種變革性的新技術(shù)。

SERF原子磁強(qiáng)計(jì)是在基于SERF原子自旋的超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量裝置基礎(chǔ)上研制的小型化、便攜式的高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。其原理與磁場(chǎng)測(cè)量裝置基本相同。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括小型堿金屬氣室、集成化無(wú)磁電加熱、小型磁補(bǔ)償線圈、光學(xué)組件、窄線寬半導(dǎo)體激光器、電子測(cè)控系統(tǒng)等。其中，小型堿金屬氣室作為磁強(qiáng)計(jì)核心敏感元件，用于敏感磁場(chǎng)變化；集成化無(wú)磁電加熱用于對(duì)堿金屬氣室加熱；小型磁補(bǔ)償線圈用于主動(dòng)磁補(bǔ)償，為原子提供低磁場(chǎng)環(huán)境；原子磁強(qiáng)計(jì)主結(jié)構(gòu)用于安裝光學(xué)元件及氣室；窄線寬半導(dǎo)體激光器用于抽運(yùn)和檢測(cè)原子自旋；電子測(cè)控系統(tǒng)用于磁強(qiáng)計(jì)輸出信號(hào)的采集和處理。

北航研究團(tuán)隊(duì)在超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量裝置基礎(chǔ)上，2014年起先后開(kāi)展了兩代高靈敏度小型化原子磁強(qiáng)計(jì)研制，2021年研制出的第二代原子磁強(qiáng)計(jì)在20～100 Hz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了2 fT/Hz1/2的靈敏度[42]，優(yōu)于國(guó)外公開(kāi)報(bào)道的小型化原子磁強(qiáng)計(jì)靈敏度最好水平。基于現(xiàn)有基礎(chǔ)，計(jì)劃進(jìn)一步提升性能指標(biāo)，應(yīng)用于弱磁噪聲的計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)支撐深空探測(cè)和磁異常探測(cè)磁強(qiáng)計(jì)的研制。

2.2 微小型原子磁強(qiáng)計(jì)

隨著量子傳感技術(shù)的發(fā)展，基于磁、光與原子相互作用的原子磁強(qiáng)計(jì)為非侵入式功能性神經(jīng)影像學(xué)提供了變革性的測(cè)量手段。基于SERF效應(yīng)的微小型原子磁強(qiáng)計(jì)作為核心傳感器，在面向人民生命健康的極弱磁成像領(lǐng)域和面向世界科技前沿的神經(jīng)科學(xué)與生命科學(xué)探索領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

一類(lèi)典型的微小型原子磁強(qiáng)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要包括原子磁強(qiáng)計(jì)探頭、電子測(cè)控系統(tǒng)、光源3部分。探頭部分主要包括微小型原子氣室、加熱膜、磁場(chǎng)線圈、光電探測(cè)器、光學(xué)元件以及主體支撐結(jié)構(gòu)等。其中，原子氣室是磁強(qiáng)計(jì)的敏感元件；無(wú)磁加熱膜用于提供高溫環(huán)境；微小型三維磁補(bǔ)償線圈用于補(bǔ)償環(huán)境磁場(chǎng)并提供調(diào)制磁場(chǎng)用于操控原子系綜。電子測(cè)控系統(tǒng)主要用于微小型磁強(qiáng)計(jì)表頭與信號(hào)處理系統(tǒng)的交互。光源以半導(dǎo)體激光器作為種子光源，經(jīng)過(guò)光纖分束后通過(guò)保偏光纖耦合至原子磁強(qiáng)計(jì)表頭，用于極化和檢測(cè)堿金屬原子自旋。

自2009年以來(lái)，美國(guó)普林斯頓大學(xué)、威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校、桑迪亞實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院等多個(gè)單位開(kāi)展了微小型原子磁強(qiáng)計(jì)的研制[43-46]。2016年，美國(guó)QuSpin公司在國(guó)際上率先研制出商用微小型原子磁強(qiáng)計(jì)產(chǎn)品，目前的第三代產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)探頭體積5 cm3，靈敏度優(yōu)于15 fT/Hz1/2的指標(biāo)，其探頭采用內(nèi)置垂直腔面發(fā)射激光器的方案，并可實(shí)現(xiàn)雙軸或三軸測(cè)量的功能[47]。此外，近幾年美國(guó)Twinleaf、FieldLine等公司也研發(fā)出了微小型原子磁強(qiáng)計(jì)產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)北航研究團(tuán)隊(duì)在超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量裝置基礎(chǔ)上，2017年起開(kāi)展了微小型原子磁強(qiáng)計(jì)研制，2022年研制出的第二代微小型雙光束SERF原子磁強(qiáng)計(jì)，在20～100 Hz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了5 fT/Hz1/2靈敏度指標(biāo)，探頭體積15 cm3，靈敏度優(yōu)于美國(guó)QuSpin公司的商用SERF原子磁強(qiáng)計(jì)。基于現(xiàn)有基礎(chǔ)，計(jì)劃2026年研制出新一代陣列式微小型原子磁強(qiáng)計(jì)，探頭體積小于5 cm3，陣列探頭數(shù)256個(gè)，并進(jìn)一步提升靈敏度。

此外，國(guó)內(nèi)浙江工業(yè)大學(xué)、北京大學(xué)、北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所等單位也開(kāi)展了微小型原子磁強(qiáng)計(jì)的研制，并進(jìn)行了極弱腦磁、心磁測(cè)量等方面的應(yīng)用研究。2022年，浙江工業(yè)大學(xué)研制出探頭體積2×2.6×13 cm3、靈敏度35 fT/Hz1/2的微小型原子磁強(qiáng)計(jì)[48]。北京大學(xué)和北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究院合作研制出探頭體積1.6×1.9×6.6 cm3，靈敏度15 fT/Hz1/2的微小型原子磁強(qiáng)計(jì)[49]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外微小型原子磁強(qiáng)計(jì)的發(fā)展將有力支撐極弱腦磁和心磁高分辨率成像醫(yī)療裝備的研制，助力攻克重大心腦疾病診療問(wèn)題。

2.3 陣列式微小型原子磁強(qiáng)計(jì)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

老齡化將是今后較長(zhǎng)一段時(shí)期中國(guó)的基本國(guó)情，2035年前后中國(guó)將進(jìn)入重度老齡化社會(huì)階段[50]，預(yù)計(jì)2050年中國(guó)老齡化將達(dá)到峰值[51]。隨著老齡化程度的加深，帕金森病、阿爾茨海默病、心血管病、老年心衰等重大疑難心腦疾病帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題日益顯著，嚴(yán)重影響老年人生活質(zhì)量，直接威脅人民生命健康。重大疑難疾病的攻克離不開(kāi)先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。功能成像手段包括功能磁共振、PET等，目的是探測(cè)人體器官功能信息，目前還難以滿足醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用的廣泛需求。

作為新一代功能信息成像技術(shù)，基于陣列式微小型原子磁強(qiáng)計(jì)的極弱磁醫(yī)學(xué)成像測(cè)量技術(shù)無(wú)需對(duì)人體外加磁場(chǎng)，而是檢測(cè)人體在自然狀態(tài)下產(chǎn)生的極弱磁場(chǎng)，具有完全被動(dòng)、無(wú)接觸、對(duì)人體無(wú)損的特點(diǎn)，具有較高的靈敏度、分辨率和靈活性，可以實(shí)時(shí)高精度地監(jiān)測(cè)大腦、心臟及其他器官的功能活動(dòng)并進(jìn)行成像，全面獲取人體功能信息，為人體功能信息學(xué)的發(fā)展提供新型高性能技術(shù)手段。未來(lái)還可做成穿戴式設(shè)備，用于長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，在疾病研究和臨床診斷方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

自2018年開(kāi)始，北航研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展陣列式芯片化原子磁強(qiáng)計(jì)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究，研制成功32通道極弱腦磁成像裝置和36通道極弱心磁成像裝置，如圖9所示。北航研究團(tuán)隊(duì)已與山東大學(xué)齊魯醫(yī)院、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院等國(guó)內(nèi)一流醫(yī)院合作開(kāi)展極弱腦磁心磁臨床實(shí)驗(yàn)研究。

極弱腦磁成像裝置實(shí)現(xiàn)了聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、體感等多種刺激誘發(fā)下的腦功能檢測(cè)[52-53]，可用于癲癇、帕金森病等重大疑難腦疾病研究，如圖10所示。極弱心磁成像裝置實(shí)現(xiàn)了心臟功能檢測(cè)[54]，可用于心肌缺血、心律失常等心臟疾病研究，如圖11所示。

2.4 高性能零磁空間

近幾十年來(lái)，部分原子自旋傳感器已經(jīng)突破原有的測(cè)量紀(jì)錄，在生物磁測(cè)量和基礎(chǔ)物理學(xué)研究等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步的深化應(yīng)用對(duì)傳感器的磁屏蔽性能提出了嚴(yán)苛的要求。磁屏蔽技術(shù)主要基于坡莫合金、硅鋼片、錳鋅鐵氧體和鐵基非晶等高磁導(dǎo)率軟磁材料，利用磁路分流原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流及低頻磁場(chǎng)屏蔽；基于銅、鋁等高電導(dǎo)率材料的渦流效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻磁場(chǎng)屏蔽。

磁屏蔽系數(shù)是表征磁屏蔽性能的重要指標(biāo)，直接反映了磁屏蔽艙對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)的屏蔽效果。磁屏蔽系數(shù)可以通過(guò)磁屏蔽層的磁標(biāo)勢(shì)和連續(xù)性方程進(jìn)行求解，對(duì)于常見(jiàn)的單層球形磁屏蔽裝置和立方體式磁屏蔽裝置，已經(jīng)建立了成熟的解析模型。以磁屏蔽桶為代表的磁屏蔽設(shè)備可以為實(shí)驗(yàn)儀器提供基本的測(cè)試磁環(huán)境保障，但空間狹小；而磁屏蔽艙為代表的磁屏蔽設(shè)備可以提供較大空間的極弱磁測(cè)試環(huán)境，可以滿足醫(yī)學(xué)應(yīng)用、活體生物長(zhǎng)期測(cè)試以及基礎(chǔ)物理研究等多種需求。

國(guó)外磁屏蔽艙的研究較早，1962年美國(guó)德克薩斯州Socony Mobil Oil公司的Patton和Fitch設(shè)計(jì)建造了磁屏蔽艙，應(yīng)用于地球物理研究。1967年，美國(guó)芝加哥伊利諾大學(xué)的Cohen建立了一個(gè)屏蔽系數(shù)為400的磁屏蔽艙，并首次在屏蔽地磁場(chǎng)與外界干擾磁場(chǎng)后測(cè)量得到心磁圖[55]。1970年，德國(guó)VAC公司開(kāi)展磁屏蔽艙技術(shù)的研究，并在1980年聯(lián)合德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)建立了BMSR-1重型磁屏蔽艙[56]，由1層鋁層和6層坡莫合金構(gòu)成，在0.1 Hz處屏蔽系數(shù)可以達(dá)到104。隨后在2000年，又建造了BMSR-2重型磁屏蔽艙，由1層鋁層和7層坡莫合金構(gòu)成，在0.01 Hz處被動(dòng)屏蔽因子可達(dá)到75 000，在主動(dòng)磁補(bǔ)償線圈下屏蔽因子可達(dá)到106，內(nèi)部1 m3空間剩磁小于1 nT，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持指標(biāo)性能的持續(xù)領(lǐng)先[57]。2011年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)設(shè)計(jì)建造了目前世界上體積最大的磁屏蔽艙[58]，目標(biāo)是滿足散裂中子源的中子自旋回波光譜儀的需求。2014年，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)與多家單位聯(lián)合建設(shè)了用于微觀粒子固有電偶極矩測(cè)量的磁屏蔽艙，剩磁降低至0.3 nT以下，在0.001 Hz處屏蔽因子達(dá)到106[59]。

中國(guó)磁屏蔽艙研究起步稍晚，1988年中國(guó)地震局地球物理所與鋼鐵研究總院聯(lián)合設(shè)計(jì)建造類(lèi)球形磁屏蔽艙，內(nèi)部剩磁低于20 nT，磁噪聲低于20 fT/Hz1/2，主要用于巖石磁性、生物磁圖的測(cè)量以及高精度磁強(qiáng)計(jì)的標(biāo)定等[60]。2017年，北航研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展心腦磁測(cè)量和基礎(chǔ)科學(xué)研究，需要低剩磁與磁噪聲的磁場(chǎng)環(huán)境，因而開(kāi)始了磁屏蔽艙的研究工作，基于硅鋼片設(shè)計(jì)搭建了第一代磁屏蔽艙，內(nèi)部剩磁約300 nT。如圖12所示，2020年北航研究團(tuán)隊(duì)利用坡莫合金材料搭建了第二代新型高性能磁屏蔽艙，由3層坡莫合金和1層鋁構(gòu)成，并在艙體外部配備三軸方形地磁補(bǔ)償線圈。該屏蔽艙內(nèi)部中心1 m3區(qū)域內(nèi)剩磁低于10 nT，磁噪聲低于15 fT/Hz1/2。2022年，北航研究團(tuán)隊(duì)基于坡莫合金材料開(kāi)展了第三代磁屏蔽艙的研究，整體結(jié)構(gòu)根據(jù)不同功能采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，保證高屏蔽性能的同時(shí)，極大地降低了建造成本，主要結(jié)構(gòu)包括磁屏蔽模塊、電磁屏蔽模塊、主框架模塊、消磁模塊和屏蔽房模塊等。其中磁屏蔽模塊采用3層坡莫合金層，電磁屏蔽模塊采用1層鋁板。磁屏蔽艙內(nèi)部中心1 m3區(qū)域剩磁低于1 nT，在30～100 Hz頻段內(nèi)磁噪聲低于5 fT/Hz1/2。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)船舶重工集團(tuán)第710研究所和鋼鐵研究總院等單位也開(kāi)展了相應(yīng)研究，取得了顯著的研究成果。

2021年，北航研究團(tuán)隊(duì)牽頭獲批國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的科研與建設(shè)任務(wù)。如圖13所示，本設(shè)施擬建成空間最大、性能最高的大型零磁空間和磁屏蔽艙，提供極端弱磁場(chǎng)環(huán)境并建設(shè)高性能科學(xué)裝置與儀器，為科研人員提供極限測(cè)量手段，服務(wù)于前沿科學(xué)探索、國(guó)家重大戰(zhàn)略需求、生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域。

如圖14所示，本設(shè)施將構(gòu)建開(kāi)放共享的研發(fā)、測(cè)試、應(yīng)用和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的重大科技基礎(chǔ)綜合體系，具體工程目標(biāo)和指標(biāo)如下：

1)建設(shè)國(guó)際上空間最大、剩磁最小的零磁空間，實(shí)現(xiàn)環(huán)境磁場(chǎng)的有效屏蔽，其中核心區(qū)面積約200 m2，體積約1 000 m3，剩磁指標(biāo)優(yōu)于1 nT。

2)在零磁空間內(nèi)建設(shè)國(guó)際上性能最高的極端探索艙(磁噪聲fT/Hz1/2量級(jí))，具備為各類(lèi)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用測(cè)試提供極端零磁環(huán)境的能力。

3)在磁屏蔽艙內(nèi)建設(shè)指標(biāo)持續(xù)領(lǐng)先的極弱磁場(chǎng)與慣性測(cè)量極限靈敏度探索裝置，同時(shí)開(kāi)展各類(lèi)神經(jīng)科學(xué)腦科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究。

3 零磁科學(xué)展望

基于“零磁”極端環(huán)境條件，依托超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量極限表征手段，利用超高精度弱磁精密調(diào)控方法，開(kāi)展零磁醫(yī)學(xué)、零磁生物學(xué)、零磁化學(xué)和零磁材料學(xué)等領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)研究，有望產(chǎn)生一系列從“0”到“1”的原創(chuàng)性科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，揭示物質(zhì)世界的新機(jī)理和新規(guī)律，進(jìn)而催生出顛覆性新技術(shù)和新方法，服務(wù)生產(chǎn)生活。

3.1 零磁醫(yī)學(xué)

零磁醫(yī)學(xué)研究，即在“零磁”極端環(huán)境條件下開(kāi)展醫(yī)學(xué)研究，是人體功能信息檢測(cè)與調(diào)控的重大技術(shù)創(chuàng)新。圍繞基礎(chǔ)、臨床、干預(yù)等多個(gè)方面，開(kāi)展零磁醫(yī)學(xué)研究，有望產(chǎn)生原創(chuàng)性成果，具有影響醫(yī)學(xué)未來(lái)發(fā)展方向的潛力。

在基礎(chǔ)研究方面，可以研究零磁環(huán)境下細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)等的機(jī)能變化。借助超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量等多種技術(shù)手段，在多個(gè)維度開(kāi)展全面的基礎(chǔ)研究，探究零磁環(huán)境對(duì)人類(lèi)全生命周期的影響，獲取神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)信息，探索生命活動(dòng)中磁現(xiàn)象的本質(zhì)以及磁場(chǎng)對(duì)生物體作用的內(nèi)在機(jī)理，助力解決生命科學(xué)重大難題。

在臨床研究方面，開(kāi)展零磁環(huán)境下人體極弱磁場(chǎng)成像研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體功能信息的成像檢測(cè)，為心、腦、腫瘤等功能性疾病的診斷和治療提供參考。構(gòu)建人體磁圖功能信息庫(kù)，開(kāi)展磁圖與多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像比較分析與融合研究，揭示人類(lèi)疾病的極弱磁信號(hào)特征規(guī)律，提供定量的功能信息指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)特異性的影像標(biāo)記物，全面參與疾病的預(yù)防、診斷、治療、評(píng)估全流程，建立人體功能信息學(xué)。

基于以上基礎(chǔ)和臨床研究，開(kāi)展零磁環(huán)境下人體極弱磁場(chǎng)干預(yù)研究，探究零磁環(huán)境下主動(dòng)施加極弱磁場(chǎng)干預(yù)對(duì)人體功能的影響，形成相應(yīng)的極弱磁場(chǎng)精準(zhǔn)調(diào)控方法，結(jié)合極弱磁場(chǎng)成像引導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體功能的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)以及對(duì)疾病的無(wú)創(chuàng)治療。

3.1.1 神經(jīng)細(xì)胞工作機(jī)理和腦科學(xué)

大腦中共有約800億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，神經(jīng)細(xì)胞之間通過(guò)電信號(hào)傳遞信息，并伴生磁場(chǎng)[61]。長(zhǎng)久以來(lái)，神經(jīng)細(xì)胞都工作在地磁環(huán)境下，受到地磁場(chǎng)環(huán)境的影響。當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)改變后，神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動(dòng)如何改變以及相關(guān)機(jī)制的研究尚不成熟。通過(guò)地磁環(huán)境和近零磁環(huán)境的對(duì)照研究，認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物在行為[62-63]、神經(jīng)傳導(dǎo)[64-65]等方面的影響，進(jìn)而探索神經(jīng)細(xì)胞工作機(jī)理，有望打開(kāi)人類(lèi)認(rèn)識(shí)大腦的窗戶，有利于進(jìn)一步“認(rèn)識(shí)腦”“發(fā)展腦”“保護(hù)腦”。

目前近零磁環(huán)境下神經(jīng)細(xì)胞工作機(jī)理和腦科學(xué)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，一個(gè)重要原因是缺少有效的極弱神經(jīng)信號(hào)測(cè)量手段。而基于SERF原子磁強(qiáng)計(jì)的極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)依靠其高靈敏度、高時(shí)空分辨率、無(wú)接觸、配置靈活等優(yōu)勢(shì)，成為神經(jīng)信號(hào)測(cè)量的利器。通過(guò)發(fā)展可穿戴的極弱腦磁測(cè)量技術(shù)(如圖15所示)，可以探索高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的各個(gè)時(shí)間進(jìn)程，發(fā)掘各腦區(qū)協(xié)同作用機(jī)制[66]，為研究大腦發(fā)育與功能發(fā)展、人在多種狀態(tài)下的認(rèn)知活動(dòng)提供了可能[3,67]。在基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)方面，將腦磁測(cè)量技術(shù)與光遺傳學(xué)、細(xì)胞電生理等技術(shù)結(jié)合，探究近零磁環(huán)境下皮層-皮層、皮層-皮層下、丘腦皮層環(huán)路的作用機(jī)制，揭示腦的工作機(jī)理，促進(jìn)對(duì)大腦在振蕩、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)關(guān)系方面的功能組織方式的理解。在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方面，在近零磁環(huán)境下對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)，探究認(rèn)知活動(dòng)的機(jī)理，增進(jìn)對(duì)感知、注意力、記憶、語(yǔ)言和執(zhí)行控制等認(rèn)知過(guò)程的基本理解。在臨床神經(jīng)科學(xué)方面，探索近零磁環(huán)境下與帕金森病、阿爾茨海默病、自閉癥譜系障礙、精神分裂癥、多動(dòng)癥、癲癇和外傷性腦損傷等疾病相關(guān)的腦功能特征，揭示近零磁環(huán)境對(duì)大腦功能區(qū)的影響，為疑難腦疾病研究和臨床診療提供新思路。

3.1.2 基于磁信號(hào)表征的心臟功能

重大心臟疾病直接威脅人類(lèi)生命，嚴(yán)重影響人類(lèi)健康安全，全球已有四分之一的人口罹患心血管疾病或者動(dòng)脈硬化相關(guān)性疾病，中國(guó)心血管病患病率仍處于上升階段，《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告2020》顯示，中國(guó)心腦血管疾病患病人數(shù)約3.3億。心血管病導(dǎo)致的死亡占居民疾病死亡的40%以上，居各類(lèi)疾病首位[68]。在心血管突發(fā)事件中，早期發(fā)現(xiàn)與早期識(shí)別非常重要，目前臨床上常用的心臟功能測(cè)量裝置主要為心電圖儀。與心電測(cè)量相比，心磁測(cè)量受組織傳導(dǎo)影響小，靈敏度和分辨率高，蘊(yùn)含的信息豐富，且無(wú)需與人體接觸，是一種超高靈敏心臟功能檢測(cè)技術(shù)，測(cè)量裝置如圖16所示。基于磁信號(hào)表征的心臟功能研究可廣泛應(yīng)用于冠狀動(dòng)脈疾病、心律失常疾病、心肌性異常疾病和胎兒先天性心臟病的早期篩查和病灶定位[69-71]。

超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)和精密磁場(chǎng)操控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于揭示復(fù)雜心臟疾病發(fā)生機(jī)理以及心臟疾病無(wú)創(chuàng)診療具有重大意義。有創(chuàng)的冠狀動(dòng)脈血管造影是目前冠狀動(dòng)脈疾病診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但高劑量的輻射和并發(fā)癥帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。而冠狀動(dòng)脈大分支和微循環(huán)灌注異常導(dǎo)致的心肌細(xì)胞缺血或梗死會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)和功能發(fā)生異常，缺血區(qū)細(xì)胞組織電導(dǎo)率相應(yīng)改變，影響磁性信號(hào)的改變，使磁信號(hào)的特征值發(fā)生變化，為心磁檢測(cè)提供了基本前提；在功能學(xué)方面，缺血導(dǎo)致的電生理變化將直接反映在磁性信號(hào)的改變，心磁信號(hào)可以反應(yīng)相關(guān)異常。因此，在進(jìn)行有創(chuàng)冠脈造影之前，可以運(yùn)用極弱心磁測(cè)量技術(shù)快速、準(zhǔn)確、安全、耐受地評(píng)估冠脈功能損傷程度。此外，可針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的近零磁環(huán)境對(duì)心肌細(xì)胞收縮及舒張功能等心臟功能的影響開(kāi)展研究，探明心臟疾病發(fā)病機(jī)理，探究磁場(chǎng)干預(yù)對(duì)心臟疾病的治療作用，形成基于精密磁場(chǎng)操控的心臟疾病治療新方法。

3.1.3 基于磁信號(hào)表征的腫瘤研究

腫瘤等病癥的早期診斷一直是國(guó)際醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的難題之一。臨床癥狀檢查、影像學(xué)檢查、血清標(biāo)記物、組織病理學(xué)和細(xì)胞學(xué)診斷等目前常用診斷方法對(duì)腫瘤細(xì)胞的敏感度較低，導(dǎo)致大部分腫瘤患者被發(fā)現(xiàn)時(shí)已進(jìn)入晚期，失去了手術(shù)根治的機(jī)會(huì)[72]。離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體激活與癌癥有關(guān)[73]，例如，鉀通道的過(guò)度表達(dá)與許多癌細(xì)胞系密切相關(guān)[74]，轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞通常比正常細(xì)胞的去極化程度更高[75]。離子通道的改變會(huì)影響離子流動(dòng)，進(jìn)而造成磁場(chǎng)變化。腫瘤的發(fā)生發(fā)展經(jīng)過(guò)輕中重度不典型增生、原位癌、浸潤(rùn)癌等多個(gè)階段，伴隨著細(xì)胞磁場(chǎng)的變化。因此，可以利用腫瘤細(xì)胞和正常組織細(xì)胞周?chē)拇艌?chǎng)差異，基于超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行腫瘤無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，這對(duì)于腫瘤早期診斷和治療具有重要臨床應(yīng)用意義。

基于磁信號(hào)表征的腫瘤研究，首先可以在細(xì)胞和組織層面上開(kāi)展，檢測(cè)和分析正常細(xì)胞和組織與腫瘤細(xì)胞和組織之間磁信號(hào)的差別；進(jìn)而可以開(kāi)展腫瘤病理生理學(xué)跟蹤研究，即測(cè)定不同階段、不同病理類(lèi)型的腫瘤細(xì)胞和組織的磁信號(hào)，探究磁信號(hào)規(guī)律和機(jī)理。如圖17所示是腫瘤細(xì)胞極弱磁測(cè)量研究裝置，可用于各類(lèi)正常細(xì)胞及腫瘤細(xì)胞的極弱磁場(chǎng)的測(cè)量。在臨床研究方面，通過(guò)收集患者的腫瘤影像學(xué)信息、腫瘤標(biāo)志物信息等臨床數(shù)據(jù)，結(jié)合腫瘤組織磁信號(hào)變化，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析患者臨床數(shù)據(jù)與磁信號(hào)變化之間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)基于磁信號(hào)檢測(cè)的腫瘤診斷，并評(píng)估其靈敏度和特異性。還可將極弱磁測(cè)量手段與現(xiàn)有的生物標(biāo)記物方法結(jié)合[76-77]，提升傳統(tǒng)檢測(cè)方法的性能。在此基礎(chǔ)上，研制腫瘤極弱磁檢測(cè)醫(yī)療裝備，實(shí)現(xiàn)基于極弱磁測(cè)量與成像的腫瘤在體診斷和定位，具有精準(zhǔn)檢測(cè)和對(duì)人體無(wú)損的巨大優(yōu)勢(shì)，有望成為腫瘤早期診斷、良性與惡性腫瘤區(qū)分、腫瘤臨床分期、檢測(cè)治療反應(yīng)、檢測(cè)復(fù)發(fā)等的重要手段。還可以利用精密磁場(chǎng)操控技術(shù)，研究磁場(chǎng)干預(yù)對(duì)腫瘤的影響，如利用頭戴式振蕩磁場(chǎng)發(fā)射裝置，對(duì)腦膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行磁刺激干預(yù)治療[78]。

3.1.4 基于磁信號(hào)表征的人體經(jīng)絡(luò)穴位信息

中醫(yī)藥為中華民族的繁衍昌盛做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，但由于技術(shù)條件的限制，中醫(yī)藥治療標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不一，臨床診斷和治療價(jià)值難以量化，機(jī)理解釋不足，在一定程度上限制了其發(fā)展。經(jīng)絡(luò)穴位是中醫(yī)的重要組成部分，中醫(yī)理論認(rèn)為經(jīng)絡(luò)穴位處存在特殊的磁場(chǎng)，但因缺乏客觀的可視化證據(jù)，其作用機(jī)制尚不明確，未被完全科學(xué)地解釋?zhuān)委熜Чy以量化評(píng)估。極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)具有高靈敏度、高時(shí)空分辨率、無(wú)創(chuàng)安全等優(yōu)勢(shì)，可用于檢測(cè)穴位、經(jīng)絡(luò)等的極弱功能信號(hào)。國(guó)內(nèi)外利用基于超導(dǎo)量子干涉儀的磁測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)絡(luò)穴位功能信息研究。例如，有研究證明了針刺右側(cè)足三里穴產(chǎn)生的感傳過(guò)程，在胃經(jīng)伏兔穴和腦中穴記錄到腦磁信號(hào)和穴磁信號(hào)振蕩呈有序變化[79]。此外，許多學(xué)者開(kāi)展了針刺誘發(fā)的腦磁信號(hào)溯源[80]、時(shí)域特征[81]、頻域特征[82]、功能連通性[83]的研究。但目前近零磁環(huán)境下經(jīng)絡(luò)穴位療效和作用機(jī)理的系統(tǒng)定量研究仍是空白。

利用極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)對(duì)經(jīng)絡(luò)穴位刺激誘發(fā)的人體極弱磁信號(hào)的檢測(cè)能力，開(kāi)展中醫(yī)穴位、經(jīng)絡(luò)機(jī)理和中醫(yī)生理及干預(yù)效應(yīng)測(cè)量與評(píng)估方法研究，可為中醫(yī)臨床輔助診斷和治療提供客觀評(píng)價(jià)方法技術(shù)和工具，為中醫(yī)藥關(guān)鍵技術(shù)裝備研制提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，支撐中醫(yī)與現(xiàn)代科技深度融合形成“理論-系統(tǒng)建模-技術(shù)工具-應(yīng)用”的發(fā)展閉環(huán)。針對(duì)中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展中對(duì)臨床診療的機(jī)理及定量評(píng)價(jià)方法的研究需求，可開(kāi)展基于極弱磁信號(hào)量化表征的中醫(yī)經(jīng)絡(luò)穴位機(jī)理和干預(yù)效應(yīng)研究、中醫(yī)生理效應(yīng)研究、疾病的中醫(yī)經(jīng)絡(luò)病機(jī)效應(yīng)研究、針灸經(jīng)絡(luò)穴位中藥干預(yù)等作用效應(yīng)研究、中西醫(yī)融合評(píng)價(jià)研究。通過(guò)建立極弱磁中醫(yī)經(jīng)絡(luò)穴位健康研究平臺(tái)，形成中醫(yī)生理、病機(jī)和干預(yù)作用效應(yīng)的極弱磁檢測(cè)基本規(guī)范。突破經(jīng)絡(luò)穴位檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，研制基于超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量的穴位針刺、經(jīng)絡(luò)針刺研究裝備，建立大型經(jīng)絡(luò)穴位磁信息數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析手段，進(jìn)行經(jīng)絡(luò)穴位機(jī)理研究、整體認(rèn)知、干預(yù)歸經(jīng)等生理及干預(yù)效應(yīng)檢測(cè)與評(píng)估，為中醫(yī)經(jīng)絡(luò)穴位診療提供客觀定量評(píng)價(jià)依據(jù)和理論技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)中醫(yī)藥的現(xiàn)代化。

3.1.5 磁刺激干預(yù)的機(jī)理分析和定量研究

磁刺激干預(yù)是利用人造磁場(chǎng)施加于人體從而達(dá)到治療和保健目的的一種方法。該方法操作簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)無(wú)痛，是一種有應(yīng)用前景的非藥物治療和保健方法，對(duì)高血壓、關(guān)節(jié)炎、頭痛、失眠、冠心病、胃腸炎、面肌痙攣、扭挫傷、頸椎病、抑郁癥等均有效果[84]，近年來(lái)也應(yīng)用在腫瘤的治療中[85]。但目前磁刺激干預(yù)基礎(chǔ)研究薄弱，無(wú)嚴(yán)格的臨床使用規(guī)范，量效關(guān)系和安全性尚未得到系統(tǒng)的研究，影響了對(duì)其作用效果的量化和評(píng)估[86-87]。

傳統(tǒng)的磁刺激干預(yù)均為在地磁環(huán)境下實(shí)施，施加的磁場(chǎng)為顯著強(qiáng)于地磁場(chǎng)的mT量級(jí)。而在近零磁環(huán)境下，由于消除了地磁場(chǎng)對(duì)磁刺激效應(yīng)的影響，有望精確評(píng)估和提升磁刺激干預(yù)作用，以及利用精密磁操控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體極弱磁場(chǎng)的精準(zhǔn)干預(yù)，可能成為人體功能調(diào)控的有效手段。針對(duì)基礎(chǔ)研究薄弱的問(wèn)題，利用極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，精確測(cè)定正常和異常情況下的人體磁信號(hào)，以測(cè)定的信號(hào)差異程度為基礎(chǔ)，結(jié)合磁信號(hào)調(diào)制技術(shù)和醫(yī)學(xué)臨床知識(shí)實(shí)現(xiàn)定量的人造磁場(chǎng)強(qiáng)度預(yù)判，以科學(xué)測(cè)量手段為依托，研究安全有效的磁刺激干預(yù)技術(shù)。針對(duì)不同疾病不同部位的磁信號(hào)特點(diǎn)，結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)針對(duì)不同疾病施加磁刺激干預(yù)的醫(yī)學(xué)技術(shù)和臨床方案，構(gòu)建近零磁環(huán)境下磁刺激干預(yù)理論。

3.2 零磁生物學(xué)

在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的支持下，將構(gòu)建大型“零磁”空間和極限弱磁測(cè)量手段，為開(kāi)展生物學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期全面的實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)提供優(yōu)越的條件保障，實(shí)現(xiàn)對(duì)近零磁環(huán)境下細(xì)胞、系統(tǒng)、個(gè)體等不同層級(jí)重要生命活動(dòng)變化過(guò)程的持續(xù)監(jiān)測(cè)，揭示背后的變化機(jī)理，建立零磁生物學(xué)的基礎(chǔ)理論。

3.2.1 細(xì)胞表面離子通道物質(zhì)輸運(yùn)

作為生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位，細(xì)胞構(gòu)成了細(xì)菌、植物、動(dòng)物等多種生命形式。細(xì)胞膜上的離子通道具有選擇性，承擔(dān)著物質(zhì)轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳輸?shù)戎匾饔茫@些信號(hào)傳遞高度依賴(lài)于生物離子通道的高速離子傳輸[88]。生物離子通道這種小尺寸、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和表面電荷分布等，導(dǎo)致離子和分子的定向有序集團(tuán)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超低阻抗輸運(yùn)(如圖18所示)，這就是量子限域超流現(xiàn)象。將量子限域超流概念引入生物學(xué)，有望使其在單分子生物傳感等領(lǐng)域得到應(yīng)用[89]。

量子限域超流體這一創(chuàng)新性概念有望為神經(jīng)科學(xué)和腦科學(xué)中神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)葐?wèn)題的研究提供新的思路，可以解釋離子和分子在離子通道中的量子化的快速傳輸狀態(tài)，但是目前尚缺乏對(duì)這一理論有效的測(cè)量手段。超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)能夠?qū)﹄x子流動(dòng)引起的磁信號(hào)進(jìn)行精密測(cè)量，通過(guò)細(xì)胞磁場(chǎng)測(cè)量等原創(chuàng)性研究，對(duì)量子限域超流進(jìn)行探測(cè)，深入研究其機(jī)理。利用精密磁場(chǎng)操控技術(shù)，可以對(duì)外界磁場(chǎng)對(duì)離子量子限域超流的影響開(kāi)展深入研究。以上技術(shù)將為細(xì)胞表面離子通道物質(zhì)輸運(yùn)工作機(jī)制的研究開(kāi)辟嶄新途徑。

3.2.2 磁場(chǎng)對(duì)植物生長(zhǎng)育種的影響

陽(yáng)光、空氣、水和磁場(chǎng)等是植物發(fā)育的關(guān)鍵要素，在植物進(jìn)化過(guò)程中，磁場(chǎng)作為環(huán)境因子被整合到植物適應(yīng)環(huán)境變化的機(jī)制中。磁場(chǎng)相關(guān)的植物生物學(xué)效應(yīng)背后的作用機(jī)理依然是一個(gè)未解之謎。通過(guò)研究磁場(chǎng)對(duì)植物生長(zhǎng)育種的影響，有望進(jìn)一步探索植物生長(zhǎng)機(jī)制，發(fā)明新型的磁場(chǎng)誘變育種方式。例如，地球磁場(chǎng)可能通過(guò)刺激植物激素影響種子萌發(fā)，加速種子細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成來(lái)加速發(fā)芽[90]；而微弱磁場(chǎng)環(huán)境可能減弱光抑制擬南芥下胚軸伸長(zhǎng)的作用[91]，并且這種促進(jìn)下胚軸生長(zhǎng)的效應(yīng)在黑暗條件下消失，證明了這種磁生物學(xué)效應(yīng)與光的作用存在聯(lián)系[92]。目前，由于缺乏有效的研究手段，植物感知磁信號(hào)并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為一系列生理生化響應(yīng)的機(jī)制仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

近零磁環(huán)境、超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量與精密磁場(chǎng)操控技術(shù)為研究植物生長(zhǎng)育種背后的機(jī)理機(jī)制提供了新的技術(shù)手段。通過(guò)鑒定植物細(xì)胞中發(fā)揮關(guān)鍵作用的磁性分子，建立高效的靶標(biāo)分子篩選體系，探明其產(chǎn)生機(jī)制、功能作用、在磁場(chǎng)影響下的理化行為具有重要意義，有望構(gòu)建植物分子磁學(xué)理論。通過(guò)對(duì)比近零磁環(huán)境、地磁環(huán)境、以及調(diào)控磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)育種的影響，探明植物具有磁場(chǎng)特異性的生物學(xué)過(guò)程。探索近零磁環(huán)境和調(diào)控磁場(chǎng)環(huán)境誘發(fā)植物遺傳變異的可能性與可行性，研發(fā)針對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育表型和生理生化過(guò)程的磁場(chǎng)特異性調(diào)控技術(shù)，綜合利用以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)植物新品種培育。

3.2.3 動(dòng)物磁場(chǎng)導(dǎo)航的機(jī)理

地磁場(chǎng)要素(地磁偏角、傾角和強(qiáng)度)為生物的遷徙、覓食等過(guò)程提供定位導(dǎo)航信息，對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)、哺乳動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)和昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)繁衍起到關(guān)鍵作用。動(dòng)物如何感知地磁場(chǎng)并利用地磁信息進(jìn)行長(zhǎng)距離遷徙和導(dǎo)航是自然界中引人注目的問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界圍繞動(dòng)物磁場(chǎng)導(dǎo)航逐步開(kāi)展了一些研究，發(fā)現(xiàn)了磁小體對(duì)于趨磁細(xì)菌磁場(chǎng)感應(yīng)能力的作用[93]、海龜遷徙能力與地磁場(chǎng)和磁傾角的相關(guān)性[94]、外界磁場(chǎng)對(duì)黏蟲(chóng)的發(fā)育、飛行和遷移的影響[95]，但動(dòng)物磁場(chǎng)導(dǎo)航的機(jī)理仍然有待研究。

利用近零磁環(huán)境和超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，開(kāi)展零磁生物學(xué)研究，可以深入探索動(dòng)物信息傳遞與處理的機(jī)制，從而科學(xué)地理解動(dòng)物磁場(chǎng)導(dǎo)航的作用機(jī)理，揭示磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)物的控制機(jī)制。該研究不僅在基礎(chǔ)研究中具有重要意義，也將服務(wù)于生物磁控技術(shù)和新一代磁導(dǎo)航技術(shù)的需求。在近零磁環(huán)境下，發(fā)揮精密磁場(chǎng)操控和長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)，可以開(kāi)展一系列動(dòng)物磁場(chǎng)導(dǎo)航研究，例如研究近零磁環(huán)境對(duì)各類(lèi)動(dòng)物遷移的影響；研究磁場(chǎng)如何引導(dǎo)動(dòng)物進(jìn)行遷徙，以及如何在動(dòng)物規(guī)律性遷徙活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物磁場(chǎng)導(dǎo)航的生物學(xué)規(guī)律；研究通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)控改變動(dòng)物遷移路線的方法。該項(xiàng)研究有望發(fā)現(xiàn)動(dòng)物依靠磁場(chǎng)導(dǎo)航不迷失方向的生物學(xué)原理，揭示動(dòng)物遷徙之謎。

3.2.4 磁場(chǎng)對(duì)胚胎細(xì)胞發(fā)育的影響機(jī)制

在生命發(fā)育生長(zhǎng)的過(guò)程中，物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、信息的傳遞大都伴隨著離子流動(dòng)，這種離子流動(dòng)受到磁場(chǎng)的影響。磁場(chǎng)可以影響動(dòng)物干細(xì)胞的生長(zhǎng)[96]，還會(huì)影響胚胎細(xì)胞的發(fā)育。在多個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度水平下對(duì)海鱒魚(yú)胚胎和仔魚(yú)的研究揭示了不同強(qiáng)度的外界磁場(chǎng)與海鱒魚(yú)發(fā)育的相關(guān)性，表明磁場(chǎng)不僅影響其卵子中的水分交換、胚胎的心率和呼吸、定向反應(yīng)、空間定向等功能，還影響了胚胎和仔魚(yú)體內(nèi)黑色素細(xì)胞的出現(xiàn)[97]。

然而，磁場(chǎng)對(duì)胚胎細(xì)胞發(fā)育的影響機(jī)制尚不明晰。磁場(chǎng)影響胚胎細(xì)胞發(fā)育不僅可能與磁場(chǎng)的強(qiáng)度、分布及頻率有關(guān)，也可能與胚胎細(xì)胞的種類(lèi)和層次有關(guān)。另外，磁場(chǎng)對(duì)胚胎細(xì)胞的作用存在一定的作用強(qiáng)度域、時(shí)間域和場(chǎng)放大效應(yīng)。而且細(xì)胞是高度復(fù)雜的有序結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以修復(fù)自身的損傷，所以當(dāng)磁場(chǎng)作用于細(xì)胞時(shí)，上述的幾種機(jī)制是共同起作用的。在近零磁環(huán)境中，發(fā)揮精密磁場(chǎng)操控和長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，可以開(kāi)展動(dòng)物胚胎在nT～fT量級(jí)微弱磁場(chǎng)中發(fā)育情況的研究，監(jiān)測(cè)近零磁環(huán)境對(duì)各類(lèi)動(dòng)物胚胎發(fā)育速度的影響，發(fā)現(xiàn)胚胎發(fā)育的規(guī)律，研究磁場(chǎng)調(diào)控各類(lèi)干細(xì)胞實(shí)現(xiàn)器官組織精細(xì)分化的作用，探索通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)控改變分化方向，為發(fā)育缺陷類(lèi)疾病的孕期干預(yù)提供新思路，有望揭示胚胎細(xì)胞發(fā)育生長(zhǎng)機(jī)制。

3.3 零磁化學(xué)

3.3.1 磁場(chǎng)對(duì)離子與等離子動(dòng)力學(xué)特性的影響

離子動(dòng)力學(xué)特性，即反映離子受力與離子運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系的特性。化學(xué)反應(yīng)中離子動(dòng)力學(xué)特性不僅取決于粒子間的相互作用，還取決于粒子與外場(chǎng)間的相互作用。磁場(chǎng)可以通過(guò)無(wú)接觸能量傳遞的形式作用于原子核與核外電子，粒子由于外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，改變了其電子加熱機(jī)制和帶電粒子輸運(yùn)性能等特性，因此外部磁場(chǎng)會(huì)影響離子動(dòng)力學(xué)特性。例如，由于磁場(chǎng)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)中溶液的離子具有攪拌作用，因此磁場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)離子在溶液中的移動(dòng)性，同時(shí)增大其擴(kuò)散系數(shù)[98]。但目前的研究側(cè)重于較強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，針對(duì)弱磁場(chǎng)影響離子動(dòng)力學(xué)特性的研究較少。

由陽(yáng)離子、中性粒子、自由電子等多種不同性質(zhì)的粒子所組成的等離子體的動(dòng)力學(xué)特性受外界磁場(chǎng)影響且可以通過(guò)外界磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控。例如，在真空斷路器領(lǐng)域，通過(guò)操控縱向或橫向磁電極，可相應(yīng)提高真空斷路器的開(kāi)斷性能[99]。如圖19所示，在電弧電流相同的情況下，隨著橫向外加磁場(chǎng)的增大，等離子體壓力分布開(kāi)始出現(xiàn)偏移，并且偏移距離隨著外加磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增大[100]。但針對(duì)近零磁環(huán)境下，弱磁場(chǎng)對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)特性的影響研究較少，機(jī)理目前尚不明晰。

基于超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，開(kāi)展近零磁環(huán)境下離子和等離子體動(dòng)力學(xué)特性的研究，建立量化分析模型，有望揭示輝光放電、流注放電、電弧發(fā)展等現(xiàn)象的機(jī)理。此外，在近零磁環(huán)境下，進(jìn)一步將磁場(chǎng)精密測(cè)量技術(shù)和弱磁場(chǎng)精密操控技術(shù)結(jié)合，開(kāi)展離子反應(yīng)與等離子體放電過(guò)程精密控制方法研究，有望為等離子體磁場(chǎng)操控和離子反應(yīng)控制開(kāi)辟新的研究途徑。

3.3.2 磁場(chǎng)對(duì)生物酶活性的影響

生物酶作為介導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)與驅(qū)動(dòng)離子跨膜流動(dòng)的重要大分子物質(zhì)，其構(gòu)象與活性在磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響生物的各種代謝過(guò)程。改變磁場(chǎng)類(lèi)型(恒定磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等)、磁場(chǎng)強(qiáng)度、梯度、頻率與曝磁時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)，可研究磁場(chǎng)作用下生物酶分子構(gòu)象和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的變化，進(jìn)而探討磁場(chǎng)影響生物酶活性的作用機(jī)理。已有諸多研究結(jié)果表明，低頻弱磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)植物的生物酶活性均存在影響，同時(shí)對(duì)人體某些mRNA的活性也會(huì)產(chǎn)生影響。如圖20所示，40 Hz、5 mT的低頻電磁場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)中風(fēng)后患者過(guò)氧化氫酶mRNA的表達(dá)水平[101]，從而增強(qiáng)機(jī)體的抗氧化防御系統(tǒng)，說(shuō)明低頻電磁場(chǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激，從而提高中風(fēng)病癥的治療效果。低頻電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)牛視網(wǎng)膜中桿外體節(jié)的腺苷酸激酶的活性產(chǎn)生作用，頻率75 Hz、強(qiáng)度125 μT的電磁場(chǎng)會(huì)使得桿外體節(jié)膜、盤(pán)膜產(chǎn)生的ATP降低約54%[102]。對(duì)于植物生物酶活性，在0.l mT的磁場(chǎng)作用下，子葉完全分開(kāi)的黃瓜幼苗中過(guò)氧化氫酶和谷胱甘肽還原酶的活性都有所提高，使得幼苗生長(zhǎng)加快且壽命延長(zhǎng)[103]。

目前磁場(chǎng)對(duì)生物酶活性影響的研究范圍多為μT～mT量級(jí)，對(duì)于極限弱磁環(huán)境，特別是nT～fT量級(jí)磁場(chǎng)對(duì)生物酶活性的影響機(jī)理尚需研究。另外，目前不同頻段、不同類(lèi)型的外界電磁場(chǎng)對(duì)不同種類(lèi)的生物酶活性的影響機(jī)理尚不明晰，磁場(chǎng)對(duì)于生物酶構(gòu)象與酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響研究需要更加有效的精密測(cè)量手段。因此，利用超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)與近零磁環(huán)境，可以探索不同類(lèi)型磁場(chǎng)和曝磁時(shí)長(zhǎng)對(duì)不同種類(lèi)生物酶活性的作用機(jī)理。此外，通過(guò)精密操控外加磁場(chǎng)，開(kāi)展生物酶活性弱磁調(diào)控研究，有望揭示極弱磁場(chǎng)影響下細(xì)胞代謝、生長(zhǎng)、癌變等機(jī)制特性，發(fā)展磁場(chǎng)精密操控細(xì)胞代謝的新方法。

3.4 零磁材料學(xué)

3.4.1 有機(jī)半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)效應(yīng)

有機(jī)半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光、電致發(fā)光、注入電流和光電流對(duì)于外加磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生明顯的響應(yīng)，即產(chǎn)生有機(jī)半導(dǎo)體的磁場(chǎng)效應(yīng)。有機(jī)半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)效應(yīng)與激發(fā)態(tài)電子-空穴對(duì)的形成和演化過(guò)程中的自旋構(gòu)型、自旋關(guān)聯(lián)和自旋翻轉(zhuǎn)密切相關(guān)[104]。對(duì)于光致發(fā)光的磁場(chǎng)效應(yīng)，0.09 T幅值的磁場(chǎng)在不同的施主/受主濃度比的聚合物薄膜中，可不同程度地影響ECZ (N-ethylcarbazole) 和DMTP (Dimethyl Terephthalate) 的電子供體和受體對(duì)的熒光強(qiáng)度[105]。針對(duì)光電流的磁場(chǎng)效應(yīng)，由于弱磁場(chǎng)可以改變蒽晶體的光電流，因此在有機(jī)半導(dǎo)體材料或有機(jī)復(fù)合材料中可以觀測(cè)到光電流的磁場(chǎng)效應(yīng)。例如，隨外界磁場(chǎng)的增大，N-乙烯基咔唑薄膜瞬態(tài)光電流強(qiáng)度出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象[106]。

外加弱磁場(chǎng)會(huì)對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料的性能產(chǎn)生顯著影響，而目前磁場(chǎng)影響的研究范圍多為mT及以上量級(jí)，尚缺乏在nT～fT量級(jí)極弱磁環(huán)境下的深入研究。因此，應(yīng)用超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，在近零磁條件下，探究磁場(chǎng)影響半導(dǎo)體材料激發(fā)態(tài)和電荷傳輸過(guò)程的作用機(jī)理，量化表征有機(jī)半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，利用精密電磁操控技術(shù)，進(jìn)一步開(kāi)展有機(jī)半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光、電致發(fā)光、注入電流和光電流效應(yīng)等精密磁場(chǎng)控制研究，有望改善半導(dǎo)體器件的能量轉(zhuǎn)換和光學(xué)傳輸效率，支撐新一代高效能半導(dǎo)體器件的發(fā)展。

3.4.2 長(zhǎng)時(shí)間弱磁環(huán)境下巖石與地質(zhì)演化機(jī)制

巖石磁學(xué)是古地磁學(xué)、環(huán)境磁學(xué)和磁法勘探的基礎(chǔ)。巖石磁性主要由巖石中鐵磁性和亞鐵磁性等強(qiáng)磁性礦物(鐵的氧化物和鐵的硫化物)引起。磁鐵礦和赤鐵礦是地殼中最常見(jiàn)的2種磁性礦物，識(shí)別巖石或沉積物中這2種礦物的特性，對(duì)研究古地磁環(huán)境及其演化規(guī)律具有重要意義。通過(guò)測(cè)量剩余磁化強(qiáng)度、磁化率、磁滯參數(shù)等巖石磁學(xué)性質(zhì)，分析復(fù)雜磁性礦物的磁疇狀態(tài)與成礦過(guò)程，進(jìn)而揭示巖石磁性信息與地質(zhì)事件的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。

對(duì)于地球巖石磁性測(cè)量，常用的測(cè)量?jī)x器為Quantum Designs公司的商業(yè)低溫磁強(qiáng)計(jì)(MPMS XL-5 EverCool)[107]，該儀器可以在低溫下將自然地質(zhì)樣品的整體磁性分解為單獨(dú)的磁性礦物成分。如圖21所示，通過(guò)剩磁試驗(yàn)檢測(cè)各種礦物樣品和混合樣品的磁性行為，進(jìn)而提出一種能夠在不需要先驗(yàn)知識(shí)的前提下，全面鑒定塊狀樣品中磁性礦物種類(lèi)的方法。圖中：M為磁化強(qiáng)度；M(1.5T)為1.5T磁化強(qiáng)度；μ0H為真空磁通密度。

除了地球巖石磁性研究，外星球巖石磁性及地質(zhì)演化機(jī)制的研究同樣意義重大。月球作為深空領(lǐng)域研究最多的對(duì)象，已有大量學(xué)者針對(duì)其地表弱磁場(chǎng)分布進(jìn)行探測(cè)。月球正面的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，一般在0.75～6.0 nT之間[108]，月球背面的高地磁場(chǎng)較強(qiáng)，通常大于100 nT。月表弱磁場(chǎng)一般分布于近期形成的撞擊坑或撞擊盆地，月球正面部分區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖22所示[109]。月球近側(cè)已知最強(qiáng)磁異常(42 nT，18.6 km高)的來(lái)源大致與笛卡爾山脈的高反照率區(qū)域一致，該區(qū)域位于阿波羅16號(hào)著陸點(diǎn)東南偏南60 km處。因此，通過(guò)測(cè)量月球表面磁場(chǎng)分布，有望揭示月球表面地質(zhì)演化規(guī)律和隕石撞擊活動(dòng)。

目前礦物磁性測(cè)量與地表磁性測(cè)量的精度有限，一定程度上限制了弱磁環(huán)境下地質(zhì)演化規(guī)律的探索。因此，需要在近零磁環(huán)境中，應(yīng)用超高靈敏極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，開(kāi)展一系列巖石鐵磁物質(zhì)磁性精準(zhǔn)測(cè)量與單獨(dú)物質(zhì)的精細(xì)識(shí)別，進(jìn)而探索巖石形成機(jī)制、地質(zhì)歷史時(shí)期里地球的關(guān)鍵內(nèi)部演化過(guò)程。另外，磁場(chǎng)環(huán)境不僅對(duì)地球巖石中鐵磁性和亞鐵磁性等強(qiáng)磁性礦物的形成存在影響，也對(duì)星體地質(zhì)演化存在影響。因此在極弱磁場(chǎng)條件下，開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間磁場(chǎng)調(diào)控下的磁性礦物質(zhì)變化過(guò)程的精密測(cè)量，探索磁場(chǎng)作用下星體巖石演化機(jī)理，進(jìn)而揭示月球等星體的起源和地質(zhì)變化過(guò)程，有望構(gòu)建近零磁環(huán)境地質(zhì)演化理論。

4 總 結(jié)

基于原子自旋效應(yīng)的極弱磁場(chǎng)和慣性測(cè)量裝置，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超越傳統(tǒng)測(cè)量手段的測(cè)量靈敏度，進(jìn)一步突破限制靈敏度提升的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并同步開(kāi)展小型化應(yīng)用和“零磁”空間研究，將為醫(yī)學(xué)應(yīng)用、基礎(chǔ)物理研究、國(guó)家戰(zhàn)略安全和零磁科學(xué)研究帶來(lái)顛覆性的研究手段。

在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，瞄準(zhǔn)帕金森病、阿爾茨海默病、心力衰竭、房顫等重大疑難心腦疾病，突破超高靈敏人體極弱磁場(chǎng)測(cè)量、高時(shí)空分辨率高清極弱磁成像等技術(shù)難題，反演估計(jì)腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)源，探索心腦發(fā)育規(guī)律和信號(hào)調(diào)控機(jī)制，揭示心腦退行性和發(fā)育性疾病的發(fā)病機(jī)理，為重大心腦疑難病癥的早期診斷提供有效手段，實(shí)現(xiàn)心腦功能成像研究領(lǐng)域的技術(shù)變革，有望帶來(lái)我國(guó)心腦疾病基礎(chǔ)研究和臨床研究的新突破。

在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面，瞄準(zhǔn)前沿基礎(chǔ)物理學(xué)的重大科學(xué)問(wèn)題，探索光與原子相互作用機(jī)理，挑戰(zhàn)超高靈敏極弱磁場(chǎng)和慣性測(cè)量指標(biāo)紀(jì)錄，開(kāi)展EDM、異常自旋相互作用力、暗物質(zhì)、強(qiáng)CP對(duì)稱(chēng)性破壞和CPT對(duì)稱(chēng)性破缺等探測(cè)研究，有望支撐超標(biāo)準(zhǔn)模型的建立，解答宇宙起源等謎題。瞄準(zhǔn)生命科學(xué)中的重大科學(xué)問(wèn)題，深入研究極弱神經(jīng)信號(hào)的產(chǎn)生和傳導(dǎo)機(jī)制等，有望揭示神經(jīng)科學(xué)和腦科學(xué)中腦認(rèn)知功能的機(jī)理等重大命題，助力重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

在國(guó)家戰(zhàn)略需求方面，聚焦中國(guó)新一代超高精度慣性導(dǎo)航和磁異常探測(cè)等國(guó)家安全重大科技問(wèn)題，深入研究原子自旋系綜精密閉環(huán)操控方法和誤差傳遞與溯源機(jī)制，提升原子自旋慣性和極弱磁場(chǎng)的長(zhǎng)期高靈敏測(cè)量能力，建成后有望支撐我國(guó)戰(zhàn)略級(jí)超高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)、超高靈敏磁異常探測(cè)技術(shù)的跨代發(fā)展。聚焦行星和深空環(huán)境探測(cè)的重大戰(zhàn)略需求，研制高靈敏原子磁強(qiáng)計(jì)，探測(cè)行星表面土壤、巖石的微弱磁性和深空極弱磁環(huán)境，有望解釋星體構(gòu)造、星體和宇宙演變過(guò)程等重大科技問(wèn)題。

在零磁科學(xué)研究方面，原創(chuàng)基礎(chǔ)研究是國(guó)家科技發(fā)展的基石，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)向基礎(chǔ)研究競(jìng)爭(zhēng)前移，加強(qiáng)從“0”到“1”的基礎(chǔ)研究，開(kāi)展零磁科學(xué)研究探索，聚焦近零磁環(huán)境下生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料學(xué)的前沿基礎(chǔ)科學(xué)命題，開(kāi)創(chuàng)近零磁環(huán)境下利用超高靈敏磁測(cè)量手段和精密弱磁調(diào)控方法，系統(tǒng)研究各類(lèi)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)期變化過(guò)程，填補(bǔ)零磁基礎(chǔ)學(xué)科研究空白，開(kāi)辟新領(lǐng)域、提出新理論、發(fā)展新方法，取得開(kāi)創(chuàng)性的新成果，為科技發(fā)展和認(rèn)識(shí)自然提供原始動(dòng)能，搶占國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。