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          北航科研團隊在基於原子自旋效應的超高靈敏磁場與慣性測量研究中取得進展

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            在國傢自然科學基金國傢重大科研儀器研制項目(批準號:61227902)的資助下,我校房建成院士、江雷院士及樊瑜波教授等組成的北航交叉學科團隊與華東師范大學褚君浩院士團隊、山西大學張天才教授團隊、中國科學院化學研究所王春儒研究員團隊、中國科學院物理研究所劉伍明研究員團隊、中國科學院數學與系統科學研究院張紀峰研究員團隊合作,成功研制出瞭一套基於原子自旋效應的超高靈敏磁場與慣性測量實驗研究裝置。

            基礎物理學中的電偶極矩測量、腦科學與地質學研究、高精度慣性導航等領域的突破需要超高靈敏的磁場與慣性測量裝置。基於原子自旋效應可實現對磁場與慣性超高靈敏的測量,其理論靈敏度可大幅超越現有方法所達到的精度。項目組深入開展瞭基於原子自旋效應的超高靈敏磁場與慣性測量技術研究,創新性地突破瞭高壓抗弛豫堿金屬氣室、高性能低噪聲磁屏蔽與磁補償(論文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8668799)、無自旋交換弛豫(SERF)原子自旋精密極化與檢測(論文鏈接:https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.94.052705)、金剛石色心自旋量子態操控與檢測(論文鏈接:https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-8-10787)等關鍵技術,成功研制出瞭一套基於原子自旋效應的超高靈敏磁場與慣性測量實驗研究裝置。該裝置包括三個子平臺:基於原子自旋SERF效應的超高靈敏磁場測量平臺、基於原子自旋效應的超高靈敏慣性測量平臺以及結構限域介質材料與內嵌原子操控慣性測量平臺。經國防科技工業第一計量測試研究中心和國防科技工業弱磁一級計量站的第三方測試,基於原子自旋SERF效應的超高靈敏磁場測量平臺的磁場測量靈敏度達到0.089fT/Hz1/2@30~39Hz,基於原子自旋SERF效應的超高靈敏慣性測量平臺的慣性測量靈敏度達到6.8E-8o/s/Hz1/2@85~94Hz,結構限域介質材料與內嵌原子操控慣性測量平臺的慣性測量靈敏度達到4.6E-5o/s/Hz1/2@3.4~3.6Hz。三個平臺的指標均高於國內外公開報道的最高指標。

          (a)基於原子自旋SERF效應的超高靈敏磁場測量平臺(b)基於原子自旋SERF效應的超高靈敏慣性測量平臺(c)結構限域介質材料與內嵌原子操控慣性測量平臺

          圖1.項目研制的基於原子自旋的超高靈敏磁場與慣性測量實驗研究裝置

            項目研究成果已陸續付諸應用,並取得瞭重要階段性成果。例如,在本項目相關成果的牽引下,團隊承擔瞭科技部等部門的重大項目,研制的小型化原子自旋陀螺儀原理樣機(論文鏈接:https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5018015),其漂移指標達到目前公開報道的最好水平,為長時間高精度慣性導航提供瞭有力支撐;基於超高靈敏磁場測量技術研制出高靈敏微小型SERF原子磁強計和集成腦磁心磁功能成像研究裝置,用於兒童自閉癥等大腦發育性疾病的診斷和評估、大腦神經外科手術術前評估、以及基於超高靈敏心磁圖測量的心臟疾病的評估等醫學研究,該裝置有望部分代替功能性核磁共振和超導量子幹涉腦磁圖儀,為人體運動/靜止狀態下心、腦疾病的非侵入快速診斷提供新一代功能性成像裝備;基於SERF超高靈敏慣性測量技術,創新性提出其用於測量自旋和速度相關的新型相互作用力,並在實驗上大幅提高瞭測量靈敏度(論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.261803);以本項目的超高靈敏磁場與慣性測量實驗研究裝置為基礎,瞄準大科學設施建設,後續將繼續在之江實驗室研制下一代更高靈敏度的科學研究裝置。該項目的順利實施與完成,有力地推動瞭我國量子精密測量與傳感領域相關技術的加速發展。

          (a)應用於集成腦磁、心磁功能成像的研究(b)應用於新型相互作用力測量的研究

          (c)研制的小型化原子自旋陀螺儀原理樣機

          圖2. 項目應用情況

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