高灵敏度室温悬挂磁力计的成功研发

本报北京8月21日讯，最近，北京大学物理学院的季伟教授与德国美因茨大学合作开发了一种新的磁场探测器——“悬磁仪”（LeMaMa），其核心是一个去掉转轴和悬线的悬浮磁针。这种新的设计可以在地磁环境中探测对比地磁场强度低达十亿分之一的微弱变化。

季伟表示，制作一个灵敏的指南针需要使磁针能够自由转动，理想状态是完全没有摩擦。而最有效的方法就是让磁铁悬浮，但这其中最大的挑战在于维持其稳定性。磁铁的吸引和排斥力需要与重力平衡，但这种平衡非常脆弱，稍有偏差就可能导致其翻转或脱离原位。他形象地把这个过程比作将鸡蛋竖立在光滑台面上的难度。

那么，如何保持这种稳定性呢？研究团队在悬浮磁铁下方使用了抗磁材料。季伟解释道，这种材料在磁场作用下会产生排斥，使磁铁仿佛被“无形的手”托住。上方的磁铁提供主要的悬浮力，下方的抗磁材料则负责稳定性。两者配合，使得微型传感磁铁能够在空中稳定悬浮。只要有微弱的横向磁场变化，磁铁就会发生轻微的转动，通过测量这一转动，便可以推算出外部磁场大小及其变化。

不过，这个“指南针”极其微小，厚度约为0.4毫米，几乎与圆珠笔尖相同，肉眼观察几乎无法察觉其转动。论文的第一作者徐昌豪介绍说，研究团队在磁铁表面制作了一个微型反光面，激光照射上去后，磁铁转动时，反射光方向会随之变化，经过几米的光路传播，这一变化将被放大并最终到达高灵敏探测器，形成清晰的光斑位移。这种“光学杠杆”有效捕捉到极小的转动。

通过对磁悬浮、材料磁噪声及光学读出进行精确控制，研究团队达到了32fT/√Hz（飞特斯拉每根号赫兹）的灵敏度。季伟指出，地球的磁场大约是几十微特斯拉，这意味着这枚不足1毫米的悬浮磁铁能够检测到地磁强度的细微变化。更为关键的是，这一设备能够在室温和正常地磁背景下直接工作。

他还提到，现有的超灵敏磁场探测技术各自存在局限性：超导量子干涉磁力计需要在低温环境中工作，而高灵敏原子磁力计则要求加热原子气室并在近零磁场中运行。而悬磁仪不需要低温，其传感元件小于1毫米，为超灵敏且微型化的磁场探测开辟了新方向。

“这项技术刚处于起步阶段，灵敏度、带宽和长期稳定性等方面还有提升空间，但在室温、微型元件、高灵敏度三者结合的情况下，它有望应用于生物磁信号测量、微小样品的磁性分析、核磁共振或基础物理精密测量。”季伟表示，研究团队已经在暗物质探测中应用这一技术，在特定质量范围内将轴子暗物质的探测灵敏度提升了多个数量级，进一步展示了悬磁仪在基础物理精密测量中的应用潜力。

新知解码

什么是抗磁材料？

抗磁材料与其他材料不同，当它们进入磁场时，并不会被吸引，反而会轻轻地被推开。推开它们的力量被称为抗磁性，水和石墨都是这种材料的例子。

抗磁性通常较弱，很多人难以察觉。然而，在足够强的磁场下，它可以实现有趣的现象：比如，将青蛙悬浮在空中。科学家曾使用强磁场进行实验，由于青蛙体内含水，水在磁场中受到排斥，整个青蛙便被“托”在空中。这项实验的科学家安德烈·海姆后来因其对石墨烯的研究而获得了诺贝尔物理奖。

尽管抗磁性较弱，在关键时刻却能发挥重要作用。在悬磁仪中，这层排斥磁场材料恰好位于悬浮磁铁的下方：当磁铁试图下落时，它会被推起，而当磁铁想要上升时，重力又将其拉下，形成一种微妙的平衡，仿佛有两只“无形的手”在支撑。