高品质（Q）回音壁模式（WGM）光学微腔已成为很多应用的通用平台，包括量子光学、光学微梳和高灵敏度传感等。WGM微腔的本征模型接近波导表面，因此絛逝场相对较强，已被用于单个蛋白质和病毒的灵敏检测。此外，光力WGM微腔（例如硅基微环谐振器）独特的双共振特性为量子光学开辟了新领域。例如，这些器件有助于实现量子相干耦合、光力诱导透明和光力冷却。除了量子现象，WGM光力技术还加速了最先进传感器的发展，在检测力、加速度和超声波方面实现了前所未有的灵敏度。此外，WGM微腔与磁致伸缩材料的集成，为新型微腔光力磁力计打开了大门。与超导量子干涉器件磁力计和无自旋交换驰豫原子磁力计等最先进的磁力计不同，微腔光力磁力计具有室温工作、可芯片级集成和低功耗等优点。
微腔光力磁力计利用磁场与机械运动之间的耦合，实现了对磁场的高灵敏度光学检测。当施加磁场时，它会在磁致伸缩材料中产生应变，导致微腔变形并改变其光学共振频率。当磁场频率与机械共振频率相匹配时，磁场感应力可显著调节腔内磁场。由于高Q值WGM微腔中光力响应的双重增强，这些磁力计可以达到极高的灵敏度。迄今为止，这些微腔磁力计主要有两种结构。第一种是人工将Terfenol-D粒子嵌入微环形腔，使灵敏度达到26 pT/√Hz。然而，这种技术在扩展方面具有挑战性。第二种是在光学微腔内溅射涂覆Terfenol-D薄膜，这种方法具有更好的扩展性，然而，这些器件的灵敏度被限制在585 pT/√Hz。
据麦姆斯咨询介绍，中国科学院物理研究所李贝贝研究员领导的一支研究团队近期在Light Science & Applications期刊上发表了一篇研究论文，报道了一种高灵敏度、可量产的微腔光力磁力计。研究人员用一种非晶态FeGaB合金取代了常用的Terfenol-D，具有更高的压磁系数和更优越的软磁特性。它能对弱磁场做出响应，而无需偏置磁场。FeGaB的非晶态特性还简化了薄膜制造工艺。除了材料的改进，研究团队还优化了测量参数。通过精心选择激光频率失谐，能够有效抑制系统中的技术噪声，使其达到热噪声极限。通过这种方法，实现了1.68 pT/√Hz的灵敏度，比以前的可量产微腔光力磁力计提高了两个数量级。此外，研究团队还展示了一个概念验证应用，用于检测模拟高压输电线电晕电流的脉冲磁场信号。
微腔光力磁力计图解，采用涂覆FeGaB薄膜的硅基微盘
在微腔光力磁力计中引入FeGaB材料，可以有效地将磁信号转换为可测量的机械响应。在这项研究的基础上，通过将FeGaB薄膜与CMOS兼容的氮化硅微环谐振器相结合，可以设想出完全集成的微腔光力磁力计。这为大规模生产高灵敏度集成磁力计铺平了道路。这种CMOS兼容的磁力计在电晕电流监测、磁感应断层扫描和脑磁图等应用领域具有巨大的潜力。先进材料和光子集成在CMOS兼容平台上的融合，是向紧凑、灵敏、可扩展量子磁传感器迈出的变革性一步。
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https://doi.org/10.1038/s41377-025-01767-4
