基于量子测量技术的磁学计量发展概述

李小芳,程华富,包 忠,汪东平,张凤

(中国船舶集团有限公司第七一〇研究所,国防科技工业弱磁一级计量站,宜昌 443003)

0 引言

我国是对磁现象认识最早的国家之一,早在公元前四世纪,《管子》就有关于“慈石”的记载。十九世纪,西方国家发现了电磁效应,为后续建立磁学实物标准奠定了基础。在实物标准阶段,采用标准磁场线圈产生的磁场作为标准量值,该量值由标准磁场线圈的电流和线圈常数计算得到,可分参数溯源至几何量和电学标准。上世纪下半叶,随着核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)、塞曼效应等新的物理现象和效应相继被发现与应用,磁学测量进入量子时代,核磁共振磁强计、质子磁强计开始作为恒定磁场标准装置的主标准,将部分磁学计量标准测量不确定度由10-4量级提高到了10-5～10-6量级,磁场计量标准开始通过自然常数溯源至时间频率标准。本世纪以来,基于量子的各类测量技术得到快速发展,进一步带动了磁学计量技术的量子化发展。

1 现有的磁学计量标准

在磁场计量中,多使用磁感应强度来描述磁场,通常将穿过均匀磁化介质单位横截面积的磁通量称为磁感应强度。磁学计量标准通过各种原理的磁强计来实现磁感应强度的准确测量。将基于量子效应的磁强计称为量子磁强计,应用了量子磁强计的计量标准称为量子标准。

量子磁强计是指单个量子(如质子、原子、离子、电子、光子等)在磁场作用下会产生拉莫尔进动,该运动信号频率称为拉莫尔频率f,与磁场B成正比,比例系数仅与旋磁比γ有关。

目前时间频率是测量准确度最高的物理量,测量结果通过旋磁比γ直接溯源至频率标准。量子基准相较于实物基准无需再引入电学量的不确定度,准确度得到了显著提升。目前的磁学标准一般采用质子旋磁比γp作为常数,不确定度如表1所示[1]。

表1 质子旋磁比测量结果Tab.1 Proton spin-to-magnetic ratio measurements

目前,已有的磁学量子标准按测量范围可分为恒定中强磁场标准和恒定弱磁场标准,其中恒定中强磁场标准采用核磁共振磁强计(nuclear magnetic resonance magnetometer),恒定弱磁场标准则采用质子磁强计(proton magnetometer)。

1.1 恒定中强磁场标准

核磁共振磁强计是恒定中强磁场标准装置的主标准器,其原理是当具有磁矩的原子核位于磁场中时会按拉莫尔频率进动,向原子核系统加入射频磁场,当激发频率通过拉莫尔频率时,原子核将产生共振响应,由此确定拉莫尔频率,根据式(1),可得到磁场强度

核磁共振磁强计的水平比较如表2 所示。各国恒定中强磁场标准能力的比较如表3 所示[2-4]。

表2 核磁共振磁强计水平比较Tab.2 Comparison of NMR magnetometer levels

表3 各国恒定中强磁场标准能力比较Tab.3 Comparison of national standard capacities for constant medium and strong magnetic fields

其中,瑞士Metrolab 公司生产的PT2025/2026型核磁共振磁强计是目前各计量技术机构使用最广泛的核磁共振磁强计。

1.2 恒定弱磁场标准

质子磁强计是利用内部工作物质(如煤油)中氢质子的拉莫尔进动频率计算得到磁场强度,分为质子进动磁强计和Overhauser 磁强计。

传统的质子磁强计采用直流极化法,先向极化线圈中通入直流电流极化氢质子,随后撤去极化磁场,质子磁矩沿着环境磁场方向进动,即为拉莫尔进动。测量拉莫尔进动频率,根据式(1),可得到磁场强度。质子磁强计与利用电子磁矩进动的磁强计相比有较高的绝对精度。

在质子磁强计的基础上引入Overhauser 效应,利用取向电子极化氢质子的磁强计称为Overhauser磁强计。与传统相比,Overhauser 磁强计极化效率高,功耗更低、信号更强、准确度更高,但成本远高于传统质子磁强计,寿命较短。

国内外质子磁强计发展现状和各国恒定弱磁磁场标准能力比较如表4 和表5 所示[5]。

表4 质子磁强计国内外发展现状Tab.4 Development status of proton magnetometer at home and abroad

表5 各国恒定弱磁场标准能力比较Tab.5 Comparison of national standard capacities for constant weak magnetic fields

2 磁学量子测量技术的发展概述

上世纪下半叶,磁学测量技术正式迈入量子革命。1953 年核磁共振磁强计研制成功,1955 年质子磁强计研制成功,1957 年,第一次成功研制了基于光磁共振原理的光泵磁强计,1964 年约瑟森结中的超导量子干涉效应被发现,1970 年代NV 色心的微观模型和大多数光学特性确立,1973 年提出SERF机制,1978 年提出CPT 效应,2008 年开始利用系综NV 色心进行磁信号探测。从技术路径来看,核磁共振磁强计、质子磁强计是目前较为成熟的量子磁强计,而光泵磁强计、CPT 磁强计、SERF 磁强计、金刚石NV 色心磁强计、超导量子磁强计等还有较大的发展空间。

2.1 光泵磁强计技术

光泵磁强计(Optical Pumping Magneto-meter,OPM)通常按不同的工作元素分为惰性气体光泵磁强计和碱金属原子光泵磁强计,碱金属光泵磁强计中的工作物质主要为钾、铷和铯等元素,惰性气体光泵磁强计中的工作物质主要为氦、氙等元素,所以光泵磁强计又称原子磁强计。基于光泵磁强计的光泵浦效应工作原理的SERF、CPT、旋光效应磁强计也是广义的光泵磁强计,在后续章节中具体介绍。

铯光泵磁强计是基于铯原子能级在外界磁场中存在的赛曼效应,利用原子的光磁双共振作用捕捉铯原子拉莫尔频率,并利用自激反馈振荡原理锁定射频磁场频率,确定磁场强度。

法国物理学家Kastler 在上世纪50 年代提出了一种基于光泵浦使原子极化的磁场测量方法。1957 年,德国物理学家Dehmelt 提出了利用射频场使光抽运的原子产生进动,然后通过观察碱金属原子的进动来确定磁场强度[6]。同年Bell 和Bloom使用试验验证了这一说法[7],并在随后解释了通过碱金属原子进动精确测量磁场的工作原理[8]。此后,各国的科研人员基于这一效应展开了研究,并相继研发出许多不同类型的光泵磁强计。

目前,国内外光泵磁强计发展现状如表6所示[9-13]。

表6 光泵磁强计国内外发展现状Tab.6 Current status of domestic and international development of optical pump magnetometers

2.2 相干布居俘获技术

相干布居俘获技术(Coherent Population Trapping,CPT)是一种在原子系统中实现的量子干涉效应。CPT 原子磁强计为基于原子相干布居俘获量子效应的量子磁强计,通过CPT 共振可实现磁场的精密测量。耦合暗态共振会使干扰频率偏移,因此使双激光束通过传感器单元,双通道传感器设计可以比单通道传感器设计更好地补偿干扰,从而提升磁场测量的准确度。

CPT 磁强计相较于OPM 磁强计的一个明显优势是基于全光学共振,其磁探头可不依赖射频线圈,仅依靠光学元件组成,使其探头小型化成为可能,以此大幅提高空间分辨率。同时,可完全避免射频线圈产生额外磁场噪声,使CPT 磁力计具有准确度高、无测量死区和环境适应强等特点。

CPT 现象最早是在1976 年被意大利科学家G.Alzetta 和G.Orriols 等人在钠(Na)原子气室中发现,并阐明了CPT 现象的原理[14]。随后,人们对CPT 现象不断深入研究,产生了CPT 原子钟及CPT磁力仪两种研究方向。德国波恩大学Wynands 小组于1998 年成功研制了一型铯原子CPT 磁力仪,用于交变磁场测量[14]。之后,美国[15]、奥地利[16]、中国等国家相继开展了CPT 磁强计研究。

2022 年,中科院国家空间中心研制的CPT 原子磁场精密测量系统已搭载在“力箭一号”火箭,完成首次空间应用技术验证,最大允许误差达到±0.3 nT。

国内外CPT 磁强计发展现状如表7 所示[17,18]。

表7 CPT 磁强计国内外发展现状Tab.7 Development status of CPT magnetometer at home and abroad

2.3 无自旋交换弛豫技术

无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)磁强计是一种运行在SERF 态下的新型碱金属原子磁强计,工作原理是利用零磁环境大幅降低原子拉莫尔进动频率,同时高温提高原子密度增加自旋交换率,当自选交换率大于拉莫尔进动频率时可以充分抑制原子的自旋交换弛豫,提高磁场测量准确度。SERF 磁强计是目前探测灵敏度最高的磁强计,缺点是只能在极弱磁场下工作,需要价格昂贵的磁屏蔽装置。

2003 年,普林斯顿大学Romalis 小组基于先前对SERF 磁场测量的研究,在SERF 磁强计上率先采用梯度差分结构,使用阵列式光电探测器进行SERF 磁强计梯度差分测量从而抑制磁屏蔽噪声,实现了28～45 Hz 范围内0.54 fT/Hz1/2的磁场测量灵敏度以及分辨率为2 mm 的磁场源定位,在低频范围首次超过SQUID 磁强计,成为该范围内磁场测量灵敏度最高的装置[19]。此后,各国的科研人员陆续展开了SERF 磁强计研究,并相继研发出许多不同类型的SERF 磁强计。其中比较有代表性的有普林斯顿大学的Romails 小组、Sandia 国家实验室的Johnson 小组、美国威斯康辛大学麦迪逊分校的Walker 小组、日本京都大学的Kobayashi 小组、美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)的Kitching 小组等。不同机构的研究人员提出了多种小型化磁强计样机的构型,且灵敏度均已达到10 fT/Hz1/2量级。此外,美国Twinleaf 公司和QuSpin 公司依托于相关大学的技术,已经推出了成熟的商用化产品。

国内外SERF 磁强计发展现状如表8 所示[19-33]。

表8 SERF 磁强计国内外发展现状Tab.8 Current status of domestic and international development of SERF magnetometer

2.4 金刚石NV 色心技术

金刚石氮-空位(Nitrogen-vacancy,NV)中心被称为NV 色心,其原因为金刚石氮-空位中心具有吸收光的特性,造成金刚石晶体展现出一定颜色的现象,这也是由于其作为金刚石中一种具有C3V对称性的点缺陷。NV 色心中带一个负电的NV 对外界耦合环境高度敏感,所以NV-被广泛用于量子精密测量。NV 色心磁强计就是利用了NV-对磁场的响应来对磁场进行测量,特点是无需低温冷却即可保证生物相容性和高灵敏度。根据上述特点,金刚石NV 色心体系按浓度可以被用于高分辨率和高灵敏度磁测量。NV 色心系综用于高分辨率磁测量,单NV 色心用于高灵敏度磁测量。

2008 年,Taylor 等人首次提出金刚石NV 色心可用于磁测量[34],以金刚石NV 色心为原理的磁力计在分辨率和灵敏度等各项指标以及应用场景等各方面的研究都取得了长足的发展。现阶段,该类型的磁力计能够在低频和高频磁场环境中达到亚皮特斯量级的磁场测量灵敏度。另外,在矢量磁场测量领域,金刚石晶格结构特殊的稳定性,给基于氮-空位色心系综的磁力计提供了高正交度等方面的优势。从金刚石NV 色心体系上来说,基于NV色心系综比基于单NV 色心的磁力计拥有更为丰富的宏观应用,因此,基于于NV 色心系综的磁测量方法以及相应的磁测量装置得到了极高的关注以及广泛的发展。

国内外NV 色心磁强计发展现状如表9 所示[35-40]。

表9 国内外NV 色心磁强计发展现状Tab.6 Current status of domestic and international development of NV color-centered magnetometers

2.5 超导量子干涉技术

超导量子干涉器件(Superconducting quantum interference device,SQUID)主要由约瑟夫森结和超导环组成,基于理论,可以探测所有可以转化为磁通的物理量,是一种非常灵敏的磁通传感器。按约瑟夫森结来分类,超导环中含有一个的称为交流(rf)SQUID,含有两个约瑟夫森结的称为直流(dc)SQUID。按组成超导的材料来分类,又可分为低温SQUID 和高温SQUID。

Josephson 于1962 年发现超导电流穿过两块超导体中间的绝缘体薄层时存在隧道效应,该现象可描述为当电流小于临界电流时,绝缘体两端不会存在电位差,因此该现象为被称为约瑟夫森效应。1963 年,首个约瑟夫森结于美国贝尔实验室成功研制[41]。随后,科学家们将这种理论运用到SQUID磁力仪上。1967 年,Silver 和Zimmerman 成功研制世界上首台SQUID 磁力仪。目前,高精度的SQUID磁力仪可以满足fT 级磁场变化量的测量需求。

但由于SQUID 磁力仪工作温度低,体积大,需要使用液氮或者液氦冷却系统,目前暂未应用到计量标准建设中,主要应用于生物磁测、磁场强度较低的核磁共振成像、地球物理探勘等方面。

3 量子磁测量技术在计量上的应用前景

利用各种量子磁强计准确度高、磁场噪声低、稳定性好等技术优点,量子测量技术已在磁学计量标准量子化方面发挥了很好的作用。

随着量子测量技术的不断发展,量子测量技术在磁学计量标准量子化方面还有广泛的应用前景,未来量子测量技术的研究方向包括但不限于以下几个方面:

1)Cs-He 光泵磁强计,替代目前的质子磁强计,一方面可以将我国20～100 μT 恒定弱磁场标准装置的测量不确定度由0.3～0.6 nT 提高至0.03 nT甚至更高;另一方面,扩展Cs-He 光泵磁强计测量范围,可以将恒定弱场计量标准量子化的测量范围由目前的20～100 μT 扩展到0.5 μT～1 mT;

2)CPT 磁强计,一方面,实现360°无死区的地磁场精密测量,将恒定弱磁场计量能力由实验室校准扩展到原位在线校准;另一方面,扩展其测量范围上限,由目前的0.1 mT 扩展到10 mT 甚至30～50 mT,与核磁共振磁强计的测量范围下限衔接,填补目前0.1～50 mT 范围内恒定磁场量子化标准的空白;

3)Overhauser 矢量磁强计,由目前的标量磁场测量扩展到矢量磁强计测量,实现磁通门磁强计等地磁场矢量磁强计的量子化校准;

4)K 光泵磁强计,替代Cs 光泵磁强计用于20～100 μT 恒定弱磁场标准装置的干扰磁场补偿,可避免同类型光泵磁强计校准时互相干扰的难题;

5)各种新型光泵磁强计,一是进一步提高磁场灵敏度,以实现更低磁场噪声的标准磁场;二是提高频率动态范围,实现低频磁场标准的量子化;三是降低其探头体积,提高空间分辨力,用于量子化的梯度弱磁场标准;

6)金刚石NV 色心系综磁强计,一方面利用其体积小、空间分辨力高的特点,可以实现梯度弱磁场标准的量子化;另一方面,利用其晶轴在金刚石中四个不同方向恒定的特征,可以实现真正的矢量磁场测量,建立高度正交的矢量磁场标准;

7)SERF 磁强计,一方面利用其超高灵敏度的特点,实现超低磁场噪声的量子化测量;另一方面,进一步扩展其频率范围,实现低频磁场标准的量子化;

8)基于量子磁强计的磁矩测量技术,实现磁矩计量标准的量子化。

4 结束语

基于经典物理技术的磁计量标准正在逐步过渡为量子标准,一方面是因为量子标准基于对量子的操纵,测量精度可突破经典极限;另一方面,量子系统赋予计量标准更好的稳定性,使其更好地适应于精密测量。当前,以光泵磁强计、CPT 磁强计、SERF 磁强计、金刚石NV 色心磁强计等量子磁强计为代表的磁学量子测量技术正处于快速发展阶段,为磁学计量标准的量子化发展提供了广阔的情景。