近日，科罗拉多大学博尔德分校的一个物理学家和工程师团队发现了一种新的方法，可以利用可能是最小的指南针——原子来测量磁场的方向。
该研究小组的发现未来可能会带来一系列新的量子传感器，从能够绘制人脑活动的设备到帮助飞机在全球范围内导航的设备。这项新研究发表在2025年1月的《Optica》期刊上（DOI：10.1364/OPTICA.542502），是物理学家Cindy Regal和量子工程师Svenja Knappe合作的结果。
“这揭示了被困在蒸汽中的原子的多功能性，”Regal表示，她是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院（NIST）联合成立的JILA研究所的物理教授兼研究员。
“原子可以告诉你很多信息，”她表示，“我们正在挖掘这些数据，以同时了解磁场是否发生了极其微小的变化，以及这些磁场指向什么方向。”
这些磁场无处不在，即使你从未看到它们。例如，地球富含铁的内核会产生一个强大的磁场，包围着整个星球。你自己的大脑每次神经元放电时，也会发出微弱的磁场脉冲。
但对于精确的原子传感器来说，测量这些磁场的方向可能会变得很复杂。在目前的研究中，Regal和她的同事们正是要解决这个问题——他们借助一个装有大约一百亿个铷原子（呈气态）的小型容器来实现。研究人员对容器施加磁场，使其中的原子经历能量偏移。随后，他们利用激光精确测量这些偏移。
“你可以把每个原子想象成一个指南针的指针，”Regal在JILA实验室的研究生Dawson Hewatt表示，“而且我们有一百亿个这样的指南针指针，这将使我们的测量设备极为精确。”
磁性世界
这项研究部分源于Knappe长期以来探索我们周围磁场环境的目标。
“磁成像使我们能够测量那些隐藏在密集且不透明结构中的源头，”Knappe表示，她是科罗拉多大学博尔德分校保罗·M·拉迪机械工程系的研究教授。“这些源头可能位于水下，被埋在混凝土下，或者就在你的大脑中。”
例如在2017年，Knappe共同创立了FieldLine公司，该公司专门制造原子蒸汽磁场传感器，也被称为光泵磁力计（OPMs）。该公司生产的集成传感器尺寸仅相当于一颗方糖，可以安装在头盔中，用于绘制人脑的活动。
不过，这些OPMs存在一个主要限制：它们只能在屏蔽外部磁场的环境中，用于测量磁场的微小变化。另一类OPMs可以在这些屏蔽房间外使用，但它们只能测量磁场的强度，无法单独记录磁场的方向。而磁场的方向对于理解大脑因各种神经学状况而发生的变化来说，是重要的信息。
为了获取这类信息，工程师通常会使用已知方向的参考磁场来校准传感器。他们会比较在施加和未施加参考磁场时传感器的数据，从而判断传感器的响应情况。在大多数情况下，这些参考磁场是由小型金属线圈提供的，但Knappe指出，这些线圈可能会随着时间的推移而变形或退化。
Regal和她的团队提出了一个不同的想法：他们打算使用微波天线作为参考，这样就可以依靠原子自身的特性来校正参考磁场随时间的变化。
该研究的共同作者包括曾在JILA担任研究生的Christopher Kiehl、曾在JILA担任博士后研究员的Tobias Thiele，以及JILA的研究生Thanmay Menon。
原子指引方向
Regal解释说，原子表现得有点像微小的磁铁。如果你用微波信号激发团队中的一个原子，它的内部结构会晃动——这是一种可以向物理学家透露很多信息的“原子舞蹈”。
“最终，我们可以读取这些晃动，它们告诉我们原子正在经历的能量跃迁的强度，而这又告诉我们磁场的方向。”Regal表示。
在目前的研究中，团队能够利用这种“原子舞蹈”将磁场的方向精确到接近百分之一度。其他一些类型的传感器在经过仔细校准后也能达到这一水平，但研究人员看到原子在进一步开发中具有巨大的潜力。
与那些内部零件会发生变形的机械装置不同，“原子始终是一样的”，Regal表示。
研究团队还需要进一步提高这些微型指南针的精度，才能将其真正应用于现实世界。不过，研究人员希望有一天，飞机飞行员能够利用原子环游地球，通过追踪地球磁场的局部变化来导航，就像候鸟利用自身的生物磁感应器一样。
“现在的问题是：‘我们能把这些原子系统推进到什么程度？’”Knappe表示。
