超高灵敏度的磁场测量在科研和工业等领域具有重要意义。利用原子自旋效应进行精密磁场测量已经成为一种重要的手段，其中无自旋交换弛豫（SERF）原子磁力计在精密测量方面具有突出的优势。碱金属气室是光泵磁力计的核心，气室中的原子决定了磁力计的灵敏度。本文通过气室中不同的碱金属原子将磁力计进行分类，介绍其原理及研究领域，为原子磁力计在未来应用及发展提供参考意义。
原子磁力计的应用及进展
引言
人类对磁场的认识始于公元前6世纪，希腊哲学家泰勒斯发现摩擦后的琥珀可吸引轻小物体，及天然磁石可吸铁的现象，这一发现标志着人类对电的和磁的初步认识。随着人们对磁场的不断认识和学习，磁场测量设备也不断更新迭代，如从早期基于电磁感应原理的传统磁力计，到如今具有高精度的原子、量子磁力计。弱磁测量设备主要包括磁通门磁力计、超导量子干涉仪（superconducting quantum interference device，SQUID）和原子磁力计等。磁通门磁力计因其几何结构，分辨率一般只能达到纳特斯拉量级。SQUID具有高灵敏度的特点，但需要液氮杜瓦瓶来保持低温，体积较大且成本昂贵。原子磁力计是一种基于碱金属蒸气极化变化的光学仪器，可在较小的磁屏蔽室下工作，测量精度高且成本较低。
无自旋交换弛豫是一种原子自旋极化的特殊状态，其核心原理是通过抑制自旋交换碰撞引起的弛豫效应，使原子自旋系统达到极长弛豫时间的状态。气态碱金属原子（如铷、钾）在高温下密度较高时，原子间会发生自旋交换碰撞，碰撞过程中，两个原子的价电子自旋状态互换，但总自旋角动量守恒。
1.原子磁力计原理
原子磁力计其原理如图1所示，原子磁力计核心部位是气室，气室中为碱金属原子（铷、铯、钾等），碱金属原子的价电子具有自旋角动量，在外加光泵浦（通常用圆偏振激光）作用下，电子自旋被极化（即定向排列）。极化后的自旋在磁场中会发生拉莫尔进动，进动频率
由拉莫尔方程决定
其中
为自旋比，B为磁场强度，可看出进动频率与磁场强度成正比，因此可通过进动频率计算磁场强度。
图1 原子磁力计原理示意图
原子磁力计基本灵敏度有散粒噪声
限制，其表达式为
其中n为原子数密度，
为横向自旋弛豫时间，V为测量体积，t为测量时间。
当拉莫尔进动频率远小于自旋交换率时，RSE其原子自旋动力学过程可以用Bloch方程来描述。即
其中S为抽运光束的光子极化率，q为减速因子，
为电子旋磁比，B为外加磁场矢量，Rp为光抽运速率，s为电子自旋矢量，z为抽运光方向的单位矢量，
为除光抽运速率外的所有退偏振速率之和。
在无磁场干扰条件下，可得到平衡自旋极化
，表达式为
当磁场变化缓慢时，可求得方程稳态解，即
其中Bx、By、Bz和Sx、Sy、Sz分别表示x轴、y轴、z轴的磁感应强度和原子极化率。通过公式可测量三个方向的磁场。
2.铷原子磁力计
磁力计在使用过程中会急剧升温，温度过高会严重影响其性能、稳定性甚至导致器件损坏。美国的QuSpin磁力计为解决低温技术的复杂性，将传感器头置于室温下工作，并将激光器与其他组件完全集成，具有自校准功能，可以同时测量沿两个或三个轴的场分量。其中，QZFM双轴磁力计在3-100Hz频带内的灵敏度小于
，三轴磁力计在3-100Hz频带内的灵敏度小于
，在环境磁场低于50nT时，可用于心磁和脑磁测量。QZFM传感器的典型本底噪声如图2所示
图2 三层金属屏蔽层内测得QZFM的典型本底噪声
QZFM磁力计在保持高灵敏度的条件下，还具有小尺寸的特点，其传电子元件长宽高为3.1×11.0×412.5px。Hannah[1]等人将其直接安装在人的头部表面，从而提高了灵敏度。同时，传感器可随头部移动，适应受试者的运动，也可以适应任何头部大小。没有复杂的低温系统还使其生产和运行成本都明显较低。促进了脑磁图的发展，使其更实用、更强大、更便宜，因而更适合临床使用。Tim[2]等人使用QZFM在头顶或口腔顶部，探索了人类海马体模型产生的磁场，模拟的海马体源会产生双极磁场模式，其中一个头皮表面磁场极值位于颞叶，而对应的Max或Min位于口腔顶部。实验设置图如图3所示。在头皮基MEG阵列中添加口腔传感器，对基础科学家和临床医生而言，在研究海马体方面具有独特潜力。
图3 实验设置图A包裹QuSpin材料，B传感器的分布，C佩戴者的模型
原子磁力计不仅用于医学领域，在生物化学领域也应用广泛。在研究化学物质及其转化过程，通常使用核磁共振（NMR）光谱分析技术，但此技术需要先jin的基础设备，成本昂贵。Piotr[3]等人使用QuSpin的磁力计研究了[13C]-formic acid等化学分子，并在检测过程中利用横向磁场的方法用于弛豫测量，测试过程如图4所示。将零场核磁共振技术应用于简单生物分子（如氨基酸、糖类和代谢物）的水溶液中，以及对葡萄糖水溶液进行弛豫研究，突显了非侵入性和便携式零场核磁共振传感器在研究实验室外的应用潜力。
图4横向磁场用于测量化学物质
Zhang[4]等人研制出表面微透镜集成外腔的垂直腔面发射激光器，为满足原子磁力计等量子传感器应用要求，使用QZFM磁力计测量封装后模组的磁场强度，测量结果为0.03nT，结果如图5所示。
图5 vcsel模组剩磁测试结果
铷原子磁力计因其独特的量子传感机制，在弱磁场测量领域具有显著优势，为生命科学等领域做出突出的贡献。
3.铯原子磁力计
铯原子磁力计和铷原子磁力计具有相似的量子传感原理，但在性能和应用上各有优劣。铯原子的原子质量更重，碰撞截面小，在高磁场下性能更稳定，适合宽动态范围应用。一般来说铯原子磁力计需894 nm激光，器件选择较少，成本略高，但波长更长，穿透性更好。
居海华[5]等人研制了基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统，采样率达到 1 Hz，水平分量和磁偏角月噪声分别为0. 02 nT 和 0. 003′，优于地震地磁观测基本网质子矢量磁力仪非常好噪声水平,也优于同场地两台磁通门磁力仪的噪声水平和基准网的平均噪声水平。其铯光泵磁力仪结构如图6所示。
图6 铯光泵磁力仪结构组成
Lin[6]课题组利用椭圆光泵浦Mx铷磁强计测量了磁性钴粒子，如图7所示灵敏度为0.2
，为原子磁力仪在生物和工业应用中测量磁性粒子铺平了道路。
图7 椭圆光泵浦 Mx 铷磁仪示意图
4.结论
本文综述了碱金属原子磁力计的原理及应用，不同碱金属原子的磁力计在技术上各具优势，在灵敏度、操作便利性、动态范围和应用场景上各有侧重。铷原子磁力计动态范围宽，可适应强磁场环境，体积较小，适合便携。铯原子磁力计动态范围较窄，但灵敏度更高，适合弱磁环境。原子磁力仪在量子技术、光学技术和微纳加工工艺的推动下，正逐步实现微型化、集成化和低成本化的发展趋势。这种技术演进不仅提升了设备的性能指标，还显著拓宽了其应用领域。当前，多学科技术的交叉融合正在为磁场测量技术创造新的发展契机，这将推动新一代磁场检测设备的创新突破，为科研探索和工程应用提供更先jin的技术手段。
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参考文献
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