2025年2月7日消息，光泵磁強(qiáng)計(jì)（OPM）在很多領(lǐng)域都派得上大用場(chǎng)，像生物傳感、檢查違禁品、磁通信，甚至在尋找暗物質(zhì)的時(shí)候也能發(fā)揮作用，還被看作是量子增強(qiáng)測(cè)量的一把好手。不過(guò)，OPM有個(gè)麻煩，它原本只能做標(biāo)量運(yùn)算，想要做出精確的矢量磁強(qiáng)計(jì)可不容易，因?yàn)闃?biāo)量OPM得靠外部參考才能知道方向信息。雖說(shuō)標(biāo)量測(cè)量在不少時(shí)候夠用了，但要是對(duì)精度要求特別高，矢量OPM的精準(zhǔn)校準(zhǔn)就顯得格外重要。

    最近，由科羅拉多大學(xué)博爾德分校和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所一起成立的JILA研究團(tuán)隊(duì)可厲害了，成功做出了一種新型矢量OPM。這個(gè)新儀器有個(gè)獨(dú)特本領(lǐng)，它能利用銣原子流形之間驅(qū)動(dòng)的拉比振蕩，測(cè)量出磁場(chǎng)相對(duì)于微波場(chǎng)極化橢圓結(jié)構(gòu)的方向。

    研究人員先找了一個(gè)氣室，里面裝著大概一千億個(gè)變成蒸汽狀態(tài)的銣原子，然后把氣室放在微波信號(hào)下面。接著，再用磁場(chǎng)沖擊氣室，這時(shí)候氣室里的原子就會(huì)發(fā)生偏移。最后，研究人員用激光去測(cè)量原子能量的變化。辛迪?雷加爾教授打了個(gè)比方：“原子就像一個(gè)裝滿信息的大倉(cāng)庫(kù)，我們就像尋寶人，從它們身上挖掘信息，這樣就能知道磁場(chǎng)有沒(méi)有小變化，還有磁場(chǎng)到底朝著哪個(gè)方向。”

    雷加爾教授還說(shuō)，當(dāng)原子被微波信號(hào)撞到的時(shí)候，它內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)“晃悠”起來(lái)，這種“晃悠”可藏著大學(xué)問(wèn)。“我們只要解讀好這些‘晃悠’，就能知道原子能量變化的強(qiáng)度，自然也就知道磁場(chǎng)方向了。”在這次研究里，團(tuán)隊(duì)通過(guò)觀察原子能量變化，也就是原子的“晃悠”，把磁場(chǎng)方向的測(cè)量精度提高到了接近百分之一度。

    研究團(tuán)隊(duì)只靠原子測(cè)量，就能發(fā)現(xiàn)微波矢量參考里的漂移，還能把那些系統(tǒng)性偏移給修正過(guò)來(lái)。為了讓儀器在任何角度都能正常工作，他們還想出了用綴合態(tài)共振的拉比測(cè)量方法。這次測(cè)量是在蒸氣室平臺(tái)里做的，對(duì)于差不多50微特斯拉的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，平均矢量精度達(dá)到了0.46毫弧度，矢量靈敏度低到每平方根赫茲11微弧度，比現(xiàn)在好多用原子蒸氣和電磁矢量參考的OPM方法都要厲害。研究員道森?休瓦特形象地說(shuō)：“每個(gè)原子就像一個(gè)小指南針，我們有十億個(gè)小指南針，合在一起就能變成超精確的測(cè)量工具。”

    從以后的用處來(lái)看，這些研究成果以后能用來(lái)做量子傳感器，比如畫(huà)出大腦活動(dòng)的圖，幫飛機(jī)找準(zhǔn)方向。斯文亞?克納普教授說(shuō)：“磁成像可神奇了，它能讓我們探測(cè)到藏在又密又不透光地方的信號(hào)源，不管是在水下、混凝土下面，還是在腦袋里都沒(méi)問(wèn)題。”和那些用久了零件會(huì)變的機(jī)械設(shè)備不一樣，原子一直都是穩(wěn)定的。

    現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)打算在把新型矢量OPM真正用起來(lái)之前，再把它的精度提高提高。研究人員盼著以后飛機(jī)駕駛員能用上基于原子蒸氣的矢量OPM，通過(guò)追蹤地球磁場(chǎng)的細(xì)微變化來(lái)給飛機(jī)導(dǎo)航，就像候鳥(niǎo)靠著天生的生物磁傳感器找路一樣?？思{普教授說(shuō)：“現(xiàn)在大家都在想，我們到底能把這些原子系統(tǒng)的能力發(fā)揮到什么程度。”

    這項(xiàng)超厲害的研究成果已經(jīng)發(fā)表在《Optica》雜志上了，給矢量OPM的發(fā)展和應(yīng)用打開(kāi)了全新的大門(mén)。