在醫(yī)療、自動駕駛、工業(yè)檢測等領(lǐng)域，傳感器的精度直接決定了技術(shù)的頂點。而SERF（無自旋交換弛豫）原子磁強計，憑借fT量級*的超高靈敏度，正在逐步成為行業(yè)“游戲規(guī)則改變者”。

SERF原子磁強計的發(fā)展史

國外研究情況

1973年，美國哥倫比亞大學教授Happer和Tang在實驗中首次發(fā)現(xiàn)了高原子數(shù)密度和低磁場環(huán)境下的原子系統(tǒng)SERF態(tài)效應[1]。

1977年，Happer和Tam從理論上解釋了SERF態(tài)的物理機理[2]。SERF原子磁力儀具有的超高靈敏度、小體積和低功耗等優(yōu)點使其在空間磁場探測[3]、基礎(chǔ)物理研究[4]和生物醫(yī)學[5-6]等領(lǐng)域具有重要應用價值。

2002年，美國普林斯頓大學的Romalis等首次將SERF態(tài)效應應用于光學原子磁力儀，達到了在高原子數(shù)密度條件下的原子自旋極化信號增強，而磁共振線寬不增加的效果實現(xiàn)了靈敏度為10fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀[7]。

美國普林斯頓大學的 SERF 原子磁力儀實驗裝置圖

2008年，美國加州大學伯克利分校的Budker等研制成功了基于銫原子的SERF磁力儀，靈敏度達到40fT/Hz1/2，并在理論上進一步指出通過優(yōu)化其靈敏度可達到0.2fT/Hz1/2[8]。

2010年,美國國家標準與技術(shù)研究院利用微機電（MEMS）系統(tǒng)技術(shù)研制了雙腔原子氣室，實現(xiàn)了靈敏度為5fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀[9].

我國研究起步較晚，但進程迅速

2008年，北京航空大學組建SERF原子磁強計研究團隊，于國內(nèi)最早開展SERF原子磁強計研究。

2016年，中國科學院物理研究所成功搭建了基于鉀原子的SERF原子磁力儀裝置，靈敏度為8fT/Hz1/2[10]。后續(xù)，該單位利用熱管導熱方式加熱鉀原子氣室，實現(xiàn)了靈敏度優(yōu)于6fT/Hz1/2的小型化四通道SERF原子磁力儀。[11]

中科院物理所的小型化四通道 SERF 原子磁力儀探頭

2019年，北京航空航天大學突破了高壓抗弛豫堿金屬氣室、高性能低噪聲磁屏蔽與磁補償、原子自旋精密極化與檢測等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了基于鉀原子自旋SERF效應的超高靈敏度磁場測量平臺，磁場靈敏度達到0.089fT/Hz1/2（30Hz ~39Hz）[12]。

北京航空航天大學的 SERF 原子磁力儀研究平臺

相關(guān)報道

2024年，作為北航房建成院士團隊技術(shù)沉淀的孵化企業(yè)，國器（德清）傳感技術(shù)有限公司（以下簡稱：國器傳感），突破了長弛豫時間原子氣室、高精密磁補償、原子氣室無磁加熱以及小型化探頭無磁封裝等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出了探頭體積僅為3.8cm3、靈敏度為10fT/Hz1/2的SERF原子磁強計，成功運用至心磁圖、腦磁圖等零磁醫(yī)療裝備，于全國范圍內(nèi)投入臨床檢測。

國器傳感GQ-NextMag S3 單通道SERF原子磁強計

醫(yī)療診斷的“量子顯微鏡”

國器傳感所研發(fā)的SERF原子磁強計是一種能兼顧超高靈敏度和小體積的磁場精密測量儀器，在生物醫(yī)學和基礎(chǔ)物理研究、空間磁場探測等領(lǐng)域具有重要應用前景。

工作原理：

SERF原子磁強計利用堿金屬原子（Rb）外層電子自旋性質(zhì)，以泵浦激光，使堿金屬原子產(chǎn)生自旋極化。在外界弱磁場的作用下，堿金屬原子發(fā)生拉莫爾進動，改變對檢測激光的吸收，從而實現(xiàn)高靈敏度的磁場測量。

作為新一代功能信息成像技術(shù)，基于陣列式微小型SERF原子磁強計的極弱磁醫(yī)學成像測量技術(shù)具有完全被動、無接觸、無損傷的特點，檢測時間短，可以實時高精度地監(jiān)測大腦、心臟及其他器官的功能活動并進行成像，全面獲取人體功能信息，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)SQUID腦磁圖儀為人體功能信息學的發(fā)展提供新型高性能技術(shù)手段，滿足生命科學研究對神經(jīng)功能信息高精度獲取的全方位要求。

128通道心磁圖儀、腦磁圖儀

量子傳感技術(shù)將如同電力革命一般改變?nèi)祟愓J知世界的方式，在這片新大陸上，國器傳感正在積極推動傳感產(chǎn)業(yè)的底層邏輯轉(zhuǎn)型，高度契合國家戰(zhàn)略和市場需求。在“十四五”攻堅收官之年，相信國器傳感的創(chuàng)新力量，將成為我國搶占全球量子科技產(chǎn)業(yè)制高點的關(guān)鍵引擎。

* 電磁場強度的計量單位叫特斯拉(T)，μT、fT都是電磁場強度的計量單位，地磁場強度大約是50~60 μT。心臟的電磁場強度可以達到5萬fT，而大腦只有10fT，僅為地球磁場的億萬分之一。

參考文獻

[1]HapperW, Tang H. Spin-exchange shift and narrowing of magnetie resonance lines in optically pumped alkali vapors[J].Physical Review Letters, 1973,31(5):273-276.

[2] Happer W, Tam A. Effeet of rapid spin exchange on the magnetic-resonance spectrum of alkali vapors [J]. Physical Review A,1977,16(5):1877.

[3]Balogh A.Planetary magnetic field measurements : missions and instrumentation [J]. Space Science Reviews ,2010，152(1):23-97.

[4]Chu P H, Kim YJ, Savukov I. Search for exotic spin-de-[pendent interactions with a spin-exchange relaxation-free magnetometer [J]. Physical Review D, 2016, 94 (3):036002.

[5]Xia H,Ben-Amar B A, Hoffman D,et al. Magnetoen-cephalography with an atomic magnetometer [J]. Applied Physics Letters, 2006,89(21): 211104.

[6]Boto E,Holmes N, Leggett J, et al. Moving magnetoen-cephalography towards real-world applications with a wear-able system [J]. Nature, 2018,555(7698): 657-661.

[7] Allred JC, Lyman R N, Kornack T, et al. High-sensitivityatomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation[J]. Physical Review Letters, 2002,89(13): 130801.

[8]Ledbetter M P, Savukov I M, Acosta V M, et al. Spin-exchange relaxation-free magnetometer with Cs vapor [J].Physical Review A,2008,77(3):033408.[9] Griffith W C, Knappe S, Kitching J. Femtotesla atomic magnetometry in a microfabricated vaporcell [J]. Optics Express,2010，18(26):27167-27172

[10] Fu JQ, Du P C, Zhou Q, et al. Spin dynamies of the po-tassium magnetometer in spin-exchange relaxation free re-gime [J]. Chinese Physics B, 2016, 25(1): 010302.

[11] Li JJ, Du P C, Fu JQ, et al. Miniature quad-channel spin-exchange relaxation-free magnetometer for magnetoencepha-lography [J]. Chinese Physics B, 2019, 28(4): 040703.

[12]陶飛.我校科研團隊在基于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[EB/0L].http://bhkj. buaa. edu. cninfo/1013/5294. htm.