高灵敏室温“悬磁仪”研制成功

一枚指南针，去掉转轴和悬线，让磁针整个悬浮在空中，会发生什么？近日，北京大学物理学院季伟团队联合德国美因茨大学团队给出了答案——他们利用室温悬浮磁铁实现了磁场探测，并将其命名为“悬磁仪”（LeMaMa）。它可以在地磁环境中，探测到强度仅为地磁十亿分之一的微弱磁场变化。

“指南针要灵敏，就得让磁针转得轻松，最好连摩擦都没有。最彻底的办法，就是让磁铁直接悬浮起来，可这并不容易，最大的难度在于让磁铁稳稳待住。”季伟告诉记者，两块磁铁之间的吸引排斥力可以和重力平衡，但这种平衡极不稳定，磁铁稍微偏离一点，就可能迅速翻转或飞离。“这就像把一枚鸡蛋竖立在光滑的桌面上，某一瞬间似乎立住了，但一丝微小的扰动就能让它倒下。”

(资料图片仅供参考)

怎么让它稳住？研究团队在悬浮磁铁下方铺了一层抗磁材料。“这种材料受到磁场时会产生排斥效应，像一只‘无形的手’从下方托住磁铁。上方磁铁负责提供主要悬浮力，下方抗磁材料负责稳定。两‘手’配合，一枚微型传感磁铁就稳稳悬浮在半空。悬浮起来的磁铁，成了没有转轴也没有悬线的‘指南针’：横向磁场稍有变化，它就会受到磁力矩作用，轻轻转一下头。只要量出这次转头，就能反推出外界磁场的大小和变化。”季伟说。

可这枚“指南针”实在太小了。它的厚度只有约0.4毫米，和圆珠笔笔尖差不多，肉眼根本看不出它转没转。论文共同第一作者徐昌豪介绍，研究团队的办法是给磁铁表面做一面微型反光面，用一束激光照上去：磁铁一转，反射光的方向就跟着变，光的位移在几米长的光路上被不断放大，最后落到高灵敏探测器上，读出的是清晰的光斑位移。这套“光学杠杆”让极微小的转动无处遁形。

通过对磁悬浮、材料磁噪声和光学读出的精细控制，研究团队实现了32fT/√Hz（飞特斯拉每根号赫兹）的磁场探测灵敏度。“地球磁场大约是几十微特斯拉，这意味着这枚不到1毫米的悬浮磁铁，能感知地磁十亿分之一量级的微弱变化。更重要的是，它在室温、地磁背景环境下就能直接工作。”季伟说。

他介绍，现有的超灵敏磁场探测各有各的“娇气”：超导量子干涉磁力计离不开低温环境，高灵敏原子磁力计需要加热原子气室，还得在近乎零磁场的环境里运行。而悬磁仪不用低温、传感元件不到1毫米，为超灵敏、微型化的磁场探测开辟了一条新路。

“这项技术还处在发展早期，灵敏度、带宽、长期稳定性都有提升空间，但室温工作、微型元件、高灵敏度三样凑在一起，让它有望用在生物磁信号测量、微小样品磁性分析、核磁共振乃至基础物理精密测量上。”季伟透露，研究团队已将其用于暗物质探测，在特定质量范围内将轴子暗物质探测灵敏度较此前最好结果提升了多个数量级，进一步展现了悬磁仪在基础物理精密测量中的应用潜力。

新知解码

抗磁材料是什么？

与绝大多数材料不同，抗磁材料见到磁场，不是被吸过去，而是被轻轻推开，而推开它们的这股力，就叫抗磁性。水有抗磁性，石墨也有抗磁性。

抗磁性平时很弱，大家基本感觉不到。可磁场足够强时，它能做一件很有意思的事：把一只青蛙悬浮起来。科学家曾用极强磁场做实验，青蛙体内大部分是水，水受到磁场会轻轻排斥，整只青蛙就这样被磁场“托”在半空，稳稳当当。做出这个实验的科学家叫安德烈·海姆，是中国科学院外籍院士，后来他和他的学生因石墨烯获得诺贝尔物理学奖。

抗磁性虽弱，关键时刻能派上大用场。在悬磁仪里，这层“排斥磁场”的材料就垫在悬浮磁铁下方：磁铁想往下掉，它往上推，磁铁想往上走，重力就把它往下拉，仿佛被两双“无形的手”托在中间。（记者晋浩天）

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