量子磁力儀技術研究與應用

摘 要： 量子磁力儀是一種利用量子效應進行高精度磁場測量的儀器。隨著量子技術的進步和應用需求的增長，量子磁力儀在航空航天、地球科學、地質勘探、生物醫療和前沿探索等多個研究領域的重要性日益凸顯。該文詳細介紹量子磁力儀特別是基于熱原子系綜的原子磁力儀的工作原理、性能及前沿應用。為梳理各類磁力儀的性能特點，首先，從測量的物理過程出發對量子磁力儀分類介紹，簡述各類型磁力儀的基本原理與特點；然后，歸納關鍵技術指標和性能提升方法；最后，對量子磁力儀的發展趨勢進行展望。

關鍵詞： 量子磁力儀; 光泵浦; 拉莫爾進動

中圖分類號： TB9; TM936 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）12–0001–12

0 引 言

量子磁力儀是依據量子物理原理設計制造的磁場傳感測量儀器，能夠突破傳統測量的標準量子極限[1] 檢測微弱磁場，在空間探測、軍事國防、生物醫學等領域都有著廣闊的發展與應用前景。

量子磁力儀種類繁多，工作原理各異。本文主要介紹基于熱原子系綜的原子磁力儀，其中一大類是以極化原子為工作物質，基于極化原子拉莫爾進動的磁力儀。對超導量子干涉儀[2]、金剛石氮空位色心磁力儀[3] 和超冷原子磁力儀等不做討論。極化原子的拉莫爾進動可以用經典物理圖景幫助理解，如圖1 所示。原子極化后形成宏觀磁矩，在外磁場的作用下，總磁矩圍繞磁場方向以特定的頻率進動，表達式為！L ="B。其中為拉莫爾進動角頻率， 為旋磁比， 為外磁場強度。通過檢測拉莫爾進動頻率便可測得磁場強度。進動頻率可以由原子磁矩的橫向分量和縱向分量的大小來反映。探測磁矩橫向分量的類磁力儀，對磁場變化的響應非常迅速，有掃頻跟蹤式和自激振蕩式[4] 兩種類型。檢測原子磁矩的縱向分量的類磁力儀，具有相對較高的測量精度。