SERF原子磁力仪关键技术及应用

李建军， 王学锋， 王 巍， 邓意成

（1.中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心,北京100094;2.中国航天科技集团有限公司,北京100048;3.北京航天控制仪器研究所,北京100039）

0 引言

无自旋交换弛豫（Spin-exchange Relaxation-free,SERF）磁力仪是基于原子自旋SERF态效应利用光探测磁共振方法实现弱磁场精密测量的磁传感器,SERF态效应为压窄原子磁共振线宽实现超高灵敏度原子磁力仪提供了一种新途径。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。2010年,SERF原子磁力仪已实现0.16fT/Hz1/2的测量灵敏度,超越了超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device,SQUID）,是目前世界上灵敏度最高的磁力仪[7]。近二十年来,SERF原子磁力仪吸引了国内外诸多研究小组的广泛关注,已成为精密磁场测量研究领域的热点之一。

1 基本原理

原子自旋交换是指两个碱金属原子在碰撞过程中由于电子强耦合作用导致原子在超精细能级布居数的变化,是影响原子自旋弛豫最为关键的因素[8]。然而,在高原子数密度和低磁场条件下,碱金属原子的自旋交换碰撞频率远大于原子的Larmor进动频率时,原子的自旋分布会维持稳定状态,保证了原子系统的相干性,系统进入SERF态。

经典SERF原子磁力仪的原理装置如图1所示,其核心是充有碱金属原子和缓冲气体（He、N2）的原子气室。……