利用中的量子磁力仪

8.2　利用中的量子磁力仪

利用微观世界中与磁场有关的现象（这些现象要用量子理论解释）来测量磁场的仪器，都可称为量子磁力仪，从这个意义上说，核子旋进磁力仪（质子磁力仪）、欧弗豪泽效应磁力仪（Overhauser effect Magnetometer，OVM）、³ He磁力仪、光泵磁力仪（钾、铷、铯、⁴ He）、超导磁力仪（超导量子干涉磁力仪Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）都是量子磁力仪。不过在习惯上，人们把核子旋进磁力仪（包括欧弗豪泽效应磁力仪、³ He磁力仪）和光泵磁力仪称为量子磁力仪。这两类磁力仪都是利用亚原子粒子（质子、电子）的自旋。在上述磁力仪中，在4K条件下工作的SQUID灵敏度最高，达到1fT/Hz^1/2（1fT＝10¹⁵ T），而且测程大，能够响应快速变化的磁场，也就是说频带很宽（0～n×10⁶ Hz）。因此，在某些领域（例如在生物磁学方面）其他类型的磁力仪目前还无法取代它，不过需要低温条件使它的应用受到限制［1～2］。

目前，美国和俄罗斯等国的科学家正在积极研究和开发另一种量子磁力仪——原子磁力仪。原子磁力仪和光泵磁力仪一样，也是利用某种气态碱金属（例如钾）原子中电子的自旋，不过牵涉到的检测方法和光泵磁力仪有些不同，更复杂一些。和美籍华裔物理学家朱棣文（Steven Chu）共同获得1997年诺贝尔物理学奖的法国物理学家科恩唐努吉（Claude CohenTannoudji）早在20世纪60年代末就研究过原子磁力仪，他指出，原子磁力仪依据的原理是测量其电子自旋已被极化的原子在磁场中的进动（旋进）。最近由美国普林斯顿大学物理系Romalis教授和位于西雅图的华盛顿大学物理系的Allred等研制成的一种新型原子磁力仪，完全利用光学方法测量磁场，灵敏度达到0.54fT/Hz^1/2（1fT＝10¹⁵ T），经过改进后还可提高到10²～10³fT/Hz^1/2，空间分辨率达到毫米级。在弱磁场中工作时，这种磁力仪的灵敏度可能达到1aT（1aT＝10¹⁸ T）的数量级，那将比SQUID灵敏1000倍，而且，这种磁力仪不需要低温条件［3～4］。