【儀表網 研發快訊】近日，山東大學物理學院饒金威教授和柏利慧教授在超高靈敏磁場探測領域取得重要進展。該團隊首次將微分幾何中尖點(Cusp Point, CP)的概念引入到磁子學領域，成功研制出了一種基于光磁同步模式(Photon–Magnon Synchronization Mode, PMSM)尖點的新型磁力計。該團隊設計的磁力計，可在室溫下工作，磁場響應率遠超傳統自旋共振磁力計，為發展高性能磁測量技術提供了全新的解決方案。
該成果以“Ultrasensitive Magnetometer based on Cusp Points of the Photon-Magnon Synchronization Mode”為題，在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。這項研究成果由山東大學、上海科技大學和中國科學院上海技術物理研究所等單位共同完成。論文的第一作者是山東大學博士生米鋅林，通訊作者是山東大學饒金威教授和柏利慧教授。
磁信號廣泛存在于自然環境和人工系統中，發展磁場靈敏探測技術對于推動基礎科學研究、資源勘探、國防安全及工業生產的發展具有重要意義。在生物醫學領域，對極弱磁場的探測是揭示微觀生命活動機制的重要手段。例如，在繪制腦磁圖和心磁圖時，需要檢測由神經元或心肌細胞電活動產生、強度低至數百至數十飛特斯拉(fT)的磁場，從而實現無創的腦功能成像和心臟疾病早期診斷。在基礎物理領域，磁場探測是搜索超越標準模型新物理(如軸子等暗物質候選粒子)的關鍵實驗手段。此外，在凝聚態物理研究中，材料中的拓撲磁結構、自旋超流等新奇物態也需要通過其磁信號進行表征。
傳統基于自旋共振的磁力計對磁場的響應率，受限于電子的固有磁旋比(約為28 GH/T)難以提升。研究團隊另辟蹊徑，利用增益諧振腔中光子模式與釔鐵石榴石中磁子模式之間的強耦合效應，制備了一種兼具超窄共振線寬和高磁場響應率的光磁同步模式。該模式在特定參數組合下，會在參數空間中產生“尖點”這一特殊現象。理論上，光磁同步模式在尖點處的磁場響應率是無窮大。此時，磁場的微小變化都會引起同步模式的顯著頻率偏移。目前該磁力計的靈敏度已達到258?fT/√Hz，且輻射譜線寬可壓縮至0.06?Hz，具備極其優異的磁場探測能力。
這項創新性研究驗證了一種發展高性能磁力計的新原理，首次將‘尖點’概念引入磁子學研究，并展示了其在磁探測中的重要價值。相對于其他磁力計，我們的磁力計在室溫下運行，無需低溫或真空環境，結構簡單、成本低、易集成，通過進一步抑制電路噪聲、電磁干擾和機械振動，其靈敏度有望媲美當前最先進的磁力計，為科學研究和工業檢測提供新一代高靈敏度磁探測工具。
此外，研究團隊還利用增益諧振腔的倍頻效應，實現了類似于頻域“游標卡尺”的放大機制。在這個過程中，基模的微小頻移會被高階振蕩模式成倍放大中M1的頻移，即紫色實線相對于虛線的差值，被六階模放大了6倍)，從而大幅提高探測器的磁場響應率。在我們的實驗中，光磁同步模式基模的磁場響應率相比于自旋共振提升了37倍。通過利用第六階振蕩模式，探測器的磁場響應率被進一步放大至236倍電子旋磁比。這相當于同樣的磁場變化，我們探測器的頻率偏移是傳統電子自旋共振的236倍。
該項目得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金，山東省自然科學基金，廣東省基礎與應用基礎研究基金，山東省泰山青年學者項目的資助。
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