【儀表網 研發快訊】微腔光力磁力儀因其小型化、低功耗、易片上集成、常溫工作、靈敏度高與帶寬大等潛在優勢，近年來吸引了廣泛的研究興趣。前期工作中，研究人員通過將磁致伸縮材料鋱鏑鐵(FeTbDy)薄膜與高品質因子光學微腔結合，實現了可批量制備的微腔光力磁力儀。然而，實現的靈敏度較差，較大的限制其應用場景。如何制備出高靈敏、可批量制備的微腔光力磁力儀成為當前該領域的研究重點。
為提升可批量制備的微腔光力磁力儀的靈敏度，近期來自中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的李貝貝研究員團隊通過將FeTbDy材料替換為磁致伸縮性能更好的FeGaB材料(圖 a-c)，將可批量制備的微腔磁力儀的靈敏度提升了兩個數量級以上，達到1.68 pT/Hz1/2(圖 d)。該磁力儀靈敏度的顯著提升主要歸因于FeGaB材料在單位磁場下的磁致伸縮應變更大，因此對微弱磁場具有更高的靈敏度。同時，FeGaB具有更好的軟磁性，因此無需偏置磁場即可達到最優工作狀態。此外，該工作采用了微盤腔結構，相比于前人工作中的微芯圓環腔具有更好的可重復性和批量制備能力。這一突破性進展為可批量生產的高性能微腔光力磁力儀的實際應用鋪平了道路。為進一步探索該微腔光力磁力儀在實際應用中的可行性，該研究團隊在實驗室中模擬了高壓輸電線中產生的電暈電流信號，并利用研制的微腔磁力儀實現了對電暈電流產生的脈沖磁場信號的測量(圖 e-g)。該研究結果表明，微腔光力磁力儀有望應用于實際的電暈電流監測，對高壓輸電線的電暈放電機理進行分析，并為高壓輸電線的設計和架構提供指導。
本研究工作通過對磁致伸縮材料的優化，實現了微腔光力磁力儀靈敏度的大幅提升。基于這一優異的磁場探測能力，微腔光力磁力儀未來有望應用于電暈電流的監測等應用場景。進而通過微加工技術可在同一個芯片上制備微腔光力磁力儀陣列，并通過與微腔光梳光源相結合，實現并行探測，未來有望應用于磁感應層析等磁成像領域。
本工作受到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、科技創新2030重大項目、中國科學院項目等的資助。中國科學院物理研究所李貝貝研究員、蔡建旺研究員、劉永昌特聘研究員為通訊作者，博士生胡志剛、高藝萌、劉健飛為共同第一作者。相關成果以“Picotesla-sensitivity microcavity optomechanical magnetometry”為題，于2024年9月29日發表在Light：science & applications. 13, 279 (2024)。
圖 微腔光力磁力儀的原理示意、實驗測量圖。a，微腔光力磁力儀的結構示意圖；b-c，微腔光力磁力儀的掃描電鏡顯微圖和光學顯微圖；d，微腔光力磁力儀對不同頻率磁場的靈敏度；e，通過探測磁場的方式去監測電暈電流的示意圖；f，使用函數發生器模擬產生的電暈電流信號；g，微腔磁力儀對電暈電流產生的磁場的響應。
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