科学网—悬浮磁场传感器有望探测极微弱的大脑活动
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2026-8-9 07:29
| 系统分类: 博客资讯
悬浮磁场传感器有望探测极微弱的大脑活动
这款设备设计简洁，在生物物理研究领域性能可媲美复杂度高得多的同类装置，甚至还能用于搜寻暗物质。
Ji, W., Xu, C., Qu, G. & Budker, D. Science 393 , 607–610 (2026).
一枚微型永磁体悬浮在抗磁性石墨稳定器上方，激光束对其进行探测。
编者摘要
高灵敏度磁力测量在医学到粒子物理等诸多领域都至关重要。悬浮系统作为传感器日益受到关注，因为无物理夹持的结构能够最大限度减少与环境之间的相互作用。然而，将悬浮物体用作磁传感器，通常需要低温制冷以抑制热噪声。纪伟等人研发出一套抗磁稳定式悬浮磁体磁力计，可在室温下工作，灵敏度可与现有技术相媲美。该传感器可在环境条件下工作，且灵敏度还有进一步提升的潜力，因此拥有广阔的应用前景。 ——耶莱娜·斯塔伊奇
摘要
悬浮粒子系统作为精密传感领域发展迅猛的技术平台备受关注。该系统消除机械接触及其伴随噪声，可构建低损耗、高隔离度的工作环境。目前的室温悬浮技术主要对加速度敏感，将其与高灵敏度磁传感技术相结合仍存在较大挑战。本文展示了一种抗磁稳定的磁悬浮磁体磁力计，通过光学方式检测磁体的运动。本装置实现了 **32飞特斯拉每根号赫兹**的灵敏度，足以满足生物学、化学与基础物理领域的大量应用需求；性能可与超导量子干涉器件、原子磁力计比肩，同时具备可在室温、地磁场环境下工作的优势。
《自然》观点：
激光束追踪真空腔中悬浮小磁体的运动；该磁体会随外界磁场发生摆动。
科学家将悬浮磁体改造成一款磁场测量仪器 ——磁力计，其灵敏度足以捕捉大脑电活动产生的微弱磁信号。这项技术比现有方案更为简易，相关成果今日发表于《科学》1。
部分灵敏度最高的磁力计采用超导量子干涉器件（ SQUID）线圈，这类器件只能在接近绝对零度的环境下工作，因此需要复杂的低温制冷设备。另一款顶尖设备为无自旋交换弛豫（SERF）磁力计，它需要近乎完美的屏蔽，隔绝外界磁场干扰。上述两项要求都会提升设备复杂度，同时拉大被测样本与磁力计之间的距离。
本篇论文介绍的悬浮磁力计，可将该距离缩短至数百微米，灵敏度也比金刚石磁力计高出数个数量级。
该设备的核心是一枚灵敏度极高、尺寸不足 1毫米的“磁针”。北京大学物理学家纪伟及其合作者，将传感磁体悬吊于上方的提升磁体与下方的抗磁体之间；抗磁体会受提升磁体的磁场作用，产生反向磁场，向上托举传感磁体，实现稳定悬浮。
一束激光打在传感磁体上并反射至探测器。当被测样本靠近设备时，探测器就可以测出传感磁体的朝向变化。整套装置放置在一个保鲜盒大小的真空腔内部。
纪伟表示，仪器的高精度得益于多种降噪技术的精密组合。磁场线圈与阻尼系统可以削弱杂散磁场和机械振动带来的噪声。 “当我们探测飞特斯拉量级的磁场时，哪怕一片薄薄的铝箔，都可以带来100飞特斯拉的噪声。”纪伟说道。（1飞特斯拉的磁场强度，仅为地球磁场的百亿分之一。）
南京大学物理学家殷佩然评价，这套系统结构简单，却实现了十分出色的灵敏度。 “该实验设计完备、体系严谨，实现了很好的外界噪声隔离。”殷佩然的团队曾于2月在《物理评论·应用》发表过相关研究2。
纪伟介绍，该技术可应用于生物领域，例如检测大脑或心脏产生的磁场。
多个科研团队一直在研发悬浮技术，可用于引力本质等基础物理课题。纪伟团队希望该设备还能用于搜寻暗物质 ——这种神秘的未知质量，维系着星系不至于分崩离析。部分理论提出，暗物质场以假想粒子轴子的形式遍布宇宙，而轴子可以通过微弱磁场被探测到。
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