SERF原子磁强计：量子传感时代的“超级显微镜”

在医疗、自动驾驶、工业检测等领域，传感器的精度直接决定了技术的顶点。而SERF（无自旋交换弛豫）原子磁强计，凭借fT量级*的超高灵敏度，正在逐步成为行业“游戏规则改变者”。

SERF原子磁强计的发展史

国外研究情况

1973年，美国哥伦比亚大学教授Happer和Tang在实验中首次发现了高原子数密度和低磁场环境下的原子系统SERF态效应[1]。

1977年，Happer和Tam从理论上解释了SERF态的物理机理[2]。SERF原子磁力仪具有的超高灵敏度、小体积和低功耗等优点使其在空间磁场探测[3]、基础物理研究[4]和生物医学[5-6]等领域具有重要应用价值。

2002年，美国普林斯顿大学的Romalis等首次将SERF态效应应用于光学原子磁力仪，达到了在高原子数密度条件下的原子自旋极化信号增强，而磁共振线宽不增加的效果实现了灵敏度为10fT/Hz1/2的SERF原子磁力仪[7]。

美国普林斯顿大学的 SERF 原子磁力仪实验装置图

2008年，美国加州大学伯克利分校的Budker等研制成功了基于铯原子的SERF磁力仪，灵敏度达到40fT/Hz1/2，并在理论上进一步指出通过优化其灵敏度可达到0.2fT/Hz1/2[8]。

2010年,美国国家标准与技术研究院利用微机电（MEMS）系统技术研制了双腔原子气室，实现了灵敏度为5fT/Hz1/2的SERF原子磁力仪[9].

我国研究起步较晚，但进程迅速

2008年，北京航空大学组建SERF原子磁强计研究团队，于国内最早开展SERF原子磁强计研究。

2016年，中国科学院物理研究所成功搭建了基于钾原子的SERF原子磁力仪装置，灵敏度为8fT/Hz1/2[10]。后续，该单位利用热管导热方式加热钾原子气室，实现了灵敏度优于6fT/Hz1/2的小型化四通道SERF原子磁力仪。[11]

中科院物理所的小型化四通道 SERF 原子磁力仪探头

2019年，北京航空航天大学突破了高压抗弛豫碱金属气室、高性能低噪声磁屏蔽与磁补偿、原子自旋精密极化与检测等关键技术，实现了基于钾原子自旋SERF效应的超高灵敏度磁场测量平台，磁场灵敏度达到0.089fT/Hz1/2（30Hz ~39Hz）[12]。

北京航空航天大学的 SERF 原子磁力仪研究平台

相关报道

2024年，作为北航房建成院士团队技术沉淀的孵化企业，国器（德清）传感技术有限公司（以下简称：国器传感），突破了长弛豫时间原子气室、高精密磁补偿、原子气室无磁加热以及小型化探头无磁封装等关键技术，成功研制出了探头体积仅为3.8cm³、灵敏度为10fT/Hz1/2的SERF原子磁强计，成功运用至心磁图、脑磁图等零磁医疗装备，于全国范围内投入临床检测。

国器传感GQ-NextMag S3 单通道SERF原子磁强计

医疗诊断的“量子显微镜”

国器传感所研发的SERF原子磁强计是一种能兼顾超高灵敏度和小体积的磁场精密测量仪器，在生物医学和基础物理研究、空间磁场探测等领域具有重要应用前景。

工作原理：

SERF原子磁强计利用碱金属原子（Rb）外层电子自旋性质，以泵浦激光，使碱金属原子产生自旋极化。在外界弱磁场的作用下，碱金属原子发生拉莫尔进动，改变对检测激光的吸收，从而实现高灵敏度的磁场测量。

作为新一代功能信息成像技术，基于阵列式微小型SERF原子磁强计的极弱磁医学成像测量技术具有完全被动、无接触、无损伤的特点，检测时间短，可以实时高精度地监测大脑、心脏及其他器官的功能活动并进行成像，全面获取人体功能信息，有望代替传统SQUID脑磁图仪为人体功能信息学的发展提供新型高性能技术手段，满足生命科学研究对神经功能信息高精度获取的全方位要求。

128通道心磁图仪、脑磁图仪

量子传感技术将如同电力革命一般改变人类认知世界的方式，在这片新大陆上，国器传感正在积极推动传感产业的底层逻辑转型，高度契合国家战略和市场需求。在“十四五”攻坚收官之年，相信国器传感的创新力量，将成为我国抢占全球量子科技产业制高点的关键引擎。

* 电磁场强度的计量单位叫特斯拉(T)，µT、fT都是电磁场强度的计量单位，地磁场强度大约是50~60 µT。心脏的电磁场强度可以达到5万fT，而大脑只有10fT，仅为地球磁场的亿万分之一。

参考文献

[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]陶飞.我校科研团队在基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量研究中取得进展[EB/0L].http://bhkj. buaa. edu. cninfo/1013/5294. htm.