基于无自旋交换弛豫（Spin-exchange relaxation-Free，SERF）效应的原子磁强计具有超高测量灵敏度（亚fT~fT/Hz1/2），已成功应用于人体极弱磁功能成像、物质极弱磁性分析、前沿基础物理学研究等领域。目前微小型SERF原子磁强计通常工作于高频磁场调制模式，因此在实际应用中不可避免地会对临近探头或者探测目标产生磁场干扰，导致测量精度下降。现有常规解决方式是增加探头距离或工作于单轴测量模式，但这会对信号探测的分辨率和低频信噪比产生影响。
为了解决这一问题，北京航空航天大学研究小组前期提出一种基于光频移调制的SERF原子磁强计构型，利用光场替代磁场对原子自旋状态进行调控，由于调制光场仅存在于与原子系综相互作用区域，因此可以从根本上解决由调制磁场引入的干扰问题。但是，由于该模式下多个光场参数同时决定光极化以及光场调制原子过程，导致参数之间耦合影响测量灵敏度。本论文在前期研究基础上，建立了完备的光场调制解析模型，考虑了动态光抽运效应，避免了现有动态光场调制下以静态抽运建模影响关键参数辨识的问题。在此模型基础上，引入光学参数多目标协同优化方法，通过拉格朗日乘子建立约束条件与目标函数关系，获取最优光学参数从而实现非敏感轴的串扰抑制和测量信噪比的提升。实验结果表明在10mm小型化原子气室条件下，实现y轴灵敏度2fT/Hz1/2，x轴灵敏度4fT/Hz1/2。该方法完全消除调制磁场干扰，并实现了优于现有磁场调制模式的灵敏度水平，具有广阔应用前景。
研究工作得到国家自然科学基金和科技创新2030―“量子通信与量子计算机”重大项目的资助。
图1 系统原理示意图，其中小型化原子磁强计探头部分工作于多层坡莫合金及铁氧体组合的低噪声磁屏蔽系统内
团队介绍
李晓昱（第一作者）：北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士研究生，主要研究方向为SERF原子磁强计。
陆吉玺（通讯作者）：北京航空航天大学大科学装置研究院研究团队成员，副研究员、博士生导师，主要研究方向为超高灵敏原子磁强计、极弱磁场计量测试等。
北航大科学装置研究院主页：https://piqs.buaa.edu.cn
文章信息
Femtotesla all-optical dual-axis spin-exchange relaxation-free magnetometer
Xiaoyu Li; Bangcheng Han; Ziao Liu; Zhongyu Wang; Jianwei Sheng; Min Xiang; Jixi Lu
Appl. Phys. Lett. 124, 254102 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0216850
