基于量子測量技術的磁學計量發展概述

李小芳,程華富,包 忠,汪東平,張鳳

(中國船舶集團有限公司第七一〇研究所,國防科技工業弱磁一級計量站,宜昌 443003)

0 引言

我國是對磁現象認識最早的國家之一,早在公元前四世紀,《管子》就有關于“慈石”的記載。十九世紀,西方國家發現了電磁效應,為后續建立磁學實物標準奠定了基礎。在實物標準階段,采用標準磁場線圈產生的磁場作為標準量值,該量值由標準磁場線圈的電流和線圈常數計算得到,可分參數溯源至幾何量和電學標準。上世紀下半葉,隨著核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)、塞曼效應等新的物理現象和效應相繼被發現與應用,磁學測量進入量子時代,核磁共振磁強計、質子磁強計開始作為恒定磁場標準裝置的主標準,將部分磁學計量標準測量不確定度由10-4量級提高到了10-5～10-6量級,磁場計量標準開始通過自然常數溯源至時間頻率標準。本世紀以來,基于量子的各類測量技術得到快速發展,進一步帶動了磁學計量技術的量子化發展。

1 現有的磁學計量標準

在磁場計量中,多使用磁感應強度來描述磁場,通常將穿過均勻磁化介質單位橫截面積的磁通量稱為磁感應強度。磁學計量標準通過各種原理的磁強計來實現磁感應強度的準確測量。將基于量子效應的磁強計稱為量子磁強計,應用了量子磁強計的計量標準稱為量子標準。

量子磁強計是指單個量子(如質子、原子、離子、電子、光子等)在磁場作用下會產生拉莫爾進動,該運動信號頻率稱為拉莫爾頻率f,與磁場B成正比,比例系數僅與旋磁比γ有關。

目前時間頻率是測量準確度最高的物理量,測量結果通過旋磁比γ直接溯源至頻率標準。量子基準相較于實物基準無需再引入電學量的不確定度,準確度得到了顯著提升。目前的磁學標準一般采用質子旋磁比γp作為常數,不確定度如表1所示[1]。

表1 質子旋磁比測量結果Tab.1 Proton spin-to-magnetic ratio measurements

目前,已有的磁學量子標準按測量范圍可分為恒定中強磁場標準和恒定弱磁場標準,其中恒定中強磁場標準采用核磁共振磁強計(nuclear magnetic resonance magnetometer),恒定弱磁場標準則采用質子磁強計(proton magnetometer)。

1.1 恒定中強磁場標準

核磁共振磁強計是恒定中強磁場標準裝置的主標準器,其原理是當具有磁矩的原子核位于磁場中時會按拉莫爾頻率進動,向原子核系統加入射頻磁場,當激發頻率通過拉莫爾頻率時,原子核將產生共振響應,由此確定拉莫爾頻率,根據式(1),可得到磁場強度

核磁共振磁強計的水平比較如表2 所示。各國恒定中強磁場標準能力的比較如表3 所示[2-4]。

表2 核磁共振磁強計水平比較Tab.2 Comparison of NMR magnetometer levels

表3 各國恒定中強磁場標準能力比較Tab.3 Comparison of national standard capacities for constant medium and strong magnetic fields

其中,瑞士Metrolab 公司生產的PT2025/2026型核磁共振磁強計是目前各計量技術機構使用最廣泛的核磁共振磁強計。

1.2 恒定弱磁場標準

質子磁強計是利用內部工作物質(如煤油)中氫質子的拉莫爾進動頻率計算得到磁場強度,分為質子進動磁強計和Overhauser 磁強計。

傳統的質子磁強計采用直流極化法,先向極化線圈中通入直流電流極化氫質子,隨后撤去極化磁場,質子磁矩沿著環境磁場方向進動,即為拉莫爾進動。測量拉莫爾進動頻率,根據式(1),可得到磁場強度。質子磁強計與利用電子磁矩進動的磁強計相比有較高的絕對精度。

在質子磁強計的基礎上引入Overhauser 效應,利用取向電子極化氫質子的磁強計稱為Overhauser磁強計。與傳統相比,Overhauser 磁強計極化效率高,功耗更低、信號更強、準確度更高,但成本遠高于傳統質子磁強計,壽命較短。

國內外質子磁強計發展現狀和各國恒定弱磁磁場標準能力比較如表4 和表5 所示[5]。

表4 質子磁強計國內外發展現狀Tab.4 Development status of proton magnetometer at home and abroad

表5 各國恒定弱磁場標準能力比較Tab.5 Comparison of national standard capacities for constant weak magnetic fields

2 磁學量子測量技術的發展概述

上世紀下半葉,磁學測量技術正式邁入量子革命。1953 年核磁共振磁強計研制成功,1955 年質子磁強計研制成功,1957 年,第一次成功研制了基于光磁共振原理的光泵磁強計,1964 年約瑟森結中的超導量子干涉效應被發現,1970 年代NV 色心的微觀模型和大多數光學特性確立,1973 年提出SERF機制,1978 年提出CPT 效應,2008 年開始利用系綜NV 色心進行磁信號探測。從技術路徑來看,核磁共振磁強計、質子磁強計是目前較為成熟的量子磁強計,而光泵磁強計、CPT 磁強計、SERF 磁強計、金剛石NV 色心磁強計、超導量子磁強計等還有較大的發展空間。

2.1 光泵磁強計技術

光泵磁強計(Optical Pumping Magneto-meter,OPM)通常按不同的工作元素分為惰性氣體光泵磁強計和堿金屬原子光泵磁強計,堿金屬光泵磁強計中的工作物質主要為鉀、銣和銫等元素,惰性氣體光泵磁強計中的工作物質主要為氦、氙等元素,所以光泵磁強計又稱原子磁強計。基于光泵磁強計的光泵浦效應工作原理的SERF、CPT、旋光效應磁強計也是廣義的光泵磁強計,在后續章節中具體介紹。

銫光泵磁強計是基于銫原子能級在外界磁場中存在的賽曼效應,利用原子的光磁雙共振作用捕捉銫原子拉莫爾頻率,并利用自激反饋振蕩原理鎖定射頻磁場頻率,確定磁場強度。

法國物理學家Kastler 在上世紀50 年代提出了一種基于光泵浦使原子極化的磁場測量方法。1957 年,德國物理學家Dehmelt 提出了利用射頻場使光抽運的原子產生進動,然后通過觀察堿金屬原子的進動來確定磁場強度[6]。同年Bell 和Bloom使用試驗驗證了這一說法[7],并在隨后解釋了通過堿金屬原子進動精確測量磁場的工作原理[8]。此后,各國的科研人員基于這一效應展開了研究,并相繼研發出許多不同類型的光泵磁強計。

目前,國內外光泵磁強計發展現狀如表6所示[9-13]。

表6 光泵磁強計國內外發展現狀Tab.6 Current status of domestic and international development of optical pump magnetometers

2.2 相干布居俘獲技術

相干布居俘獲技術(Coherent Population Trapping,CPT)是一種在原子系統中實現的量子干涉效應。CPT 原子磁強計為基于原子相干布居俘獲量子效應的量子磁強計,通過CPT 共振可實現磁場的精密測量。耦合暗態共振會使干擾頻率偏移,因此使雙激光束通過傳感器單元,雙通道傳感器設計可以比單通道傳感器設計更好地補償干擾,從而提升磁場測量的準確度。

CPT 磁強計相較于OPM 磁強計的一個明顯優勢是基于全光學共振,其磁探頭可不依賴射頻線圈,僅依靠光學元件組成,使其探頭小型化成為可能,以此大幅提高空間分辨率。同時,可完全避免射頻線圈產生額外磁場噪聲,使CPT 磁力計具有準確度高、無測量死區和環境適應強等特點。

CPT 現象最早是在1976 年被意大利科學家G.Alzetta 和G.Orriols 等人在鈉(Na)原子氣室中發現,并闡明了CPT 現象的原理[14]。隨后,人們對CPT 現象不斷深入研究,產生了CPT 原子鐘及CPT磁力儀兩種研究方向。德國波恩大學Wynands 小組于1998 年成功研制了一型銫原子CPT 磁力儀,用于交變磁場測量[14]。之后,美國[15]、奧地利[16]、中國等國家相繼開展了CPT 磁強計研究。

2022 年,中科院國家空間中心研制的CPT 原子磁場精密測量系統已搭載在“力箭一號”火箭,完成首次空間應用技術驗證,最大允許誤差達到±0.3 nT。

國內外CPT 磁強計發展現狀如表7 所示[17,18]。

表7 CPT 磁強計國內外發展現狀Tab.7 Development status of CPT magnetometer at home and abroad

2.3 無自旋交換弛豫技術

無自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)磁強計是一種運行在SERF 態下的新型堿金屬原子磁強計,工作原理是利用零磁環境大幅降低原子拉莫爾進動頻率,同時高溫提高原子密度增加自旋交換率,當自選交換率大于拉莫爾進動頻率時可以充分抑制原子的自旋交換弛豫,提高磁場測量準確度。SERF 磁強計是目前探測靈敏度最高的磁強計,缺點是只能在極弱磁場下工作,需要價格昂貴的磁屏蔽裝置。

2003 年,普林斯頓大學Romalis 小組基于先前對SERF 磁場測量的研究,在SERF 磁強計上率先采用梯度差分結構,使用陣列式光電探測器進行SERF 磁強計梯度差分測量從而抑制磁屏蔽噪聲,實現了28～45 Hz 范圍內0.54 fT/Hz1/2的磁場測量靈敏度以及分辨率為2 mm 的磁場源定位,在低頻范圍首次超過SQUID 磁強計,成為該范圍內磁場測量靈敏度最高的裝置[19]。此后,各國的科研人員陸續展開了SERF 磁強計研究,并相繼研發出許多不同類型的SERF 磁強計。其中比較有代表性的有普林斯頓大學的Romails 小組、Sandia 國家實驗室的Johnson 小組、美國威斯康辛大學麥迪遜分校的Walker 小組、日本京都大學的Kobayashi 小組、美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)的Kitching 小組等。不同機構的研究人員提出了多種小型化磁強計樣機的構型,且靈敏度均已達到10 fT/Hz1/2量級。此外,美國Twinleaf 公司和QuSpin 公司依托于相關大學的技術,已經推出了成熟的商用化產品。

國內外SERF 磁強計發展現狀如表8 所示[19-33]。

表8 SERF 磁強計國內外發展現狀Tab.8 Current status of domestic and international development of SERF magnetometer

2.4 金剛石NV 色心技術

金剛石氮-空位(Nitrogen-vacancy,NV)中心被稱為NV 色心,其原因為金剛石氮-空位中心具有吸收光的特性,造成金剛石晶體展現出一定顏色的現象,這也是由于其作為金剛石中一種具有C3V對稱性的點缺陷。NV 色心中帶一個負電的NV 對外界耦合環境高度敏感,所以NV-被廣泛用于量子精密測量。NV 色心磁強計就是利用了NV-對磁場的響應來對磁場進行測量,特點是無需低溫冷卻即可保證生物相容性和高靈敏度。根據上述特點,金剛石NV 色心體系按濃度可以被用于高分辨率和高靈敏度磁測量。NV 色心系綜用于高分辨率磁測量,單NV 色心用于高靈敏度磁測量。

2008 年,Taylor 等人首次提出金剛石NV 色心可用于磁測量[34],以金剛石NV 色心為原理的磁力計在分辨率和靈敏度等各項指標以及應用場景等各方面的研究都取得了長足的發展。現階段,該類型的磁力計能夠在低頻和高頻磁場環境中達到亞皮特斯量級的磁場測量靈敏度。另外,在矢量磁場測量領域,金剛石晶格結構特殊的穩定性,給基于氮-空位色心系綜的磁力計提供了高正交度等方面的優勢。從金剛石NV 色心體系上來說,基于NV色心系綜比基于單NV 色心的磁力計擁有更為豐富的宏觀應用,因此,基于于NV 色心系綜的磁測量方法以及相應的磁測量裝置得到了極高的關注以及廣泛的發展。

國內外NV 色心磁強計發展現狀如表9 所示[35-40]。

表9 國內外NV 色心磁強計發展現狀Tab.6 Current status of domestic and international development of NV color-centered magnetometers

2.5 超導量子干涉技術

超導量子干涉器件(Superconducting quantum interference device,SQUID)主要由約瑟夫森結和超導環組成,基于理論,可以探測所有可以轉化為磁通的物理量,是一種非常靈敏的磁通傳感器。按約瑟夫森結來分類,超導環中含有一個的稱為交流(rf)SQUID,含有兩個約瑟夫森結的稱為直流(dc)SQUID。按組成超導的材料來分類,又可分為低溫SQUID 和高溫SQUID。

Josephson 于1962 年發現超導電流穿過兩塊超導體中間的絕緣體薄層時存在隧道效應,該現象可描述為當電流小于臨界電流時,絕緣體兩端不會存在電位差,因此該現象為被稱為約瑟夫森效應。1963 年,首個約瑟夫森結于美國貝爾實驗室成功研制[41]。隨后,科學家們將這種理論運用到SQUID磁力儀上。1967 年,Silver 和Zimmerman 成功研制世界上首臺SQUID 磁力儀。目前,高精度的SQUID磁力儀可以滿足fT 級磁場變化量的測量需求。

但由于SQUID 磁力儀工作溫度低,體積大,需要使用液氮或者液氦冷卻系統,目前暫未應用到計量標準建設中,主要應用于生物磁測、磁場強度較低的核磁共振成像、地球物理探勘等方面。

3 量子磁測量技術在計量上的應用前景

利用各種量子磁強計準確度高、磁場噪聲低、穩定性好等技術優點,量子測量技術已在磁學計量標準量子化方面發揮了很好的作用。

隨著量子測量技術的不斷發展,量子測量技術在磁學計量標準量子化方面還有廣泛的應用前景,未來量子測量技術的研究方向包括但不限于以下幾個方面:

1)Cs-He 光泵磁強計,替代目前的質子磁強計,一方面可以將我國20～100 μT 恒定弱磁場標準裝置的測量不確定度由0.3～0.6 nT 提高至0.03 nT甚至更高;另一方面,擴展Cs-He 光泵磁強計測量范圍,可以將恒定弱場計量標準量子化的測量范圍由目前的20～100 μT 擴展到0.5 μT～1 mT;

2)CPT 磁強計,一方面,實現360°無死區的地磁場精密測量,將恒定弱磁場計量能力由實驗室校準擴展到原位在線校準;另一方面,擴展其測量范圍上限,由目前的0.1 mT 擴展到10 mT 甚至30～50 mT,與核磁共振磁強計的測量范圍下限銜接,填補目前0.1～50 mT 范圍內恒定磁場量子化標準的空白;

3)Overhauser 矢量磁強計,由目前的標量磁場測量擴展到矢量磁強計測量,實現磁通門磁強計等地磁場矢量磁強計的量子化校準;

4)K 光泵磁強計,替代Cs 光泵磁強計用于20～100 μT 恒定弱磁場標準裝置的干擾磁場補償,可避免同類型光泵磁強計校準時互相干擾的難題;

5)各種新型光泵磁強計,一是進一步提高磁場靈敏度,以實現更低磁場噪聲的標準磁場;二是提高頻率動態范圍,實現低頻磁場標準的量子化;三是降低其探頭體積,提高空間分辨力,用于量子化的梯度弱磁場標準;

6)金剛石NV 色心系綜磁強計,一方面利用其體積小、空間分辨力高的特點,可以實現梯度弱磁場標準的量子化;另一方面,利用其晶軸在金剛石中四個不同方向恒定的特征,可以實現真正的矢量磁場測量,建立高度正交的矢量磁場標準;

7)SERF 磁強計,一方面利用其超高靈敏度的特點,實現超低磁場噪聲的量子化測量;另一方面,進一步擴展其頻率范圍,實現低頻磁場標準的量子化;

8)基于量子磁強計的磁矩測量技術,實現磁矩計量標準的量子化。

4 結束語

基于經典物理技術的磁計量標準正在逐步過渡為量子標準,一方面是因為量子標準基于對量子的操縱,測量精度可突破經典極限;另一方面,量子系統賦予計量標準更好的穩定性,使其更好地適應于精密測量。當前,以光泵磁強計、CPT 磁強計、SERF 磁強計、金剛石NV 色心磁強計等量子磁強計為代表的磁學量子測量技術正處于快速發展階段,為磁學計量標準的量子化發展提供了廣闊的情景。