摘要：该团队的研究成果有朝一日可能会催生出一系列新型量子传感器，从绘制人类大脑活动的设备到帮助飞机环球航行的设备。这项新研究发表在《光学》杂志上，是物理学家辛迪·雷加尔和量子工程师斯文贾·纳普合作的成果。

科罗拉多大学博尔德分校的一组物理学家和工程师发现了一种新方法，可以使用可能是最小的指南针——原子来测量磁场的方向。

该团队的研究成果有朝一日可能会催生出一系列新型量子传感器，从绘制人类大脑活动的设备到帮助飞机环球航行的设备。这项新研究发表在《光学》杂志上，是物理学家辛迪·雷加尔和量子工程师斯文贾·纳普合作的成果。

它揭示了以蒸汽形式捕获的原子的多功能性，雷加尔 (Regal) 说道。雷加尔是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的联合研究机构 JILA 的研究员，同时也是物理学教授。

“原子能告诉你很多信息，”她说，“我们正在对它们进行数据挖掘，以便同时了解磁场是否发生了极小的变化以及这些磁场指向哪个方向。”

这些磁场无处不在，即使你从未见过。例如，富含铁的地球核心会产生一个强大的磁场，环绕着整个星球。每当神经元激发时，你的大脑也会发出微小的磁能脉冲。

但测量这些磁场指向的方向，尤其是对于精确的原子传感器来说，可能会很棘手。在目前的研究中，Regal 和她的同事们打算做到这一点——借助一个装有大约一千亿个蒸汽形式的铷原子的小室。研究人员用磁场撞击小室，导致里面的原子经历能量转移。然后他们用激光精确测量这些变化。

“你可以把每个原子想象成一个指南针，”JILA Regal 实验室的研究生 Dawson Hewatt 说道。“我们有十亿个指南针，它们可以成为真正精确的测量设备。”

这项研究在一定程度上源于克纳普长期以来探索我们周围磁环境的目标。

“磁成像技术使我们能够测量埋藏在致密且光学不透明结构中的辐射源，”机械工程系 Paul M. Rady 研究教授 Knappe 说道。“它们在水下，埋在混凝土下，在你的头部内部，头骨后面。”

例如，2017 年，Knappe 与他人共同创立了 FieldLine Inc. 公司，该公司生产原子蒸汽磁传感器，也称为光泵磁强计 (OPM)。该公司制造了方糖大小的集成传感器，并将其安装到可以绘制人类大脑活动的头盔中。

这些 OPM 也有一个很大的局限性：它们的性能只能在不受外界磁力影响的环境中测量磁场的微小变化。可以在这些房间外使用另一组 OPM，但它们只擅长测量磁场的强度。它们无法自行记录这些磁场指向的方向。这是了解大脑可能因各种神经系统疾病而发生的变化的重要信息。

为了提取此类信息，工程师通常使用具有已知方向的参考磁场作为某种指导来校准传感器。他们比较施加和不施加参考磁场的传感器数据，以判断这些传感器的响应情况。在大多数情况下，这些参考是小型金属线圈，Knappe 说，这些线圈会随着时间的推移而弯曲或退化。

雷加尔和她的团队有一个不同的想法：他们将使用微波天线作为参考，这将使他们能够依靠原子本身的行为来纠正参考随时间的任何变化。

该研究的共同作者包括 JILA 前研究生 Christopher Kiehl、JILA 前博士后研究员 Tobias Thiele 和 JILA 研究生 Thanmay Menon。

原子指引方向

Regal 解释说，原子的行为有点像微型磁铁。如果你用微波信号轰击团队的一个原子，它的内部结构就会摆动——这是一种原子舞，可以为物理学家提供很多信息。

“最终，我们可以读出这些摆动，它们可以告诉我们原子正在经历的能量转变的强度，进而告诉我们磁场的方向，”雷加尔说。

在目前的研究中，该团队能够利用原子的舞动来精确定位磁场的方向，精度接近百分之一度。其他一些类型的传感器也可以通过仔细校准达到这一水平，但研究人员认为原子在进一步开发中具有巨大的潜力。

雷加尔说，与内部零件可以变形的机械设备不同，“原子始终是相同的”。

在将微型指南针投入实际使用之前，该团队仍需提高其精度。但研究人员希望，有朝一日，飞行员可以利用原子在全球飞行，跟踪地球磁场的局部变化，就像候鸟利用自己的生物磁传感器一样。

“现在的问题是：‘我们能将这些原子系统推向多远？’”克纳普说。

来源：板栗科技说