基于磁感晶体超精细耦合的仿生量子磁传感关键技术研究

This project aims at the application requirements of magnetic sensing with higher precision and lower temperature coefficient in deep sea and deep space exploration. The geomagnetic navigation mechanism of migratory birds is used as the biological model, based on the hyperfine anisotropic coupling of the free radical pair in magnetic protein. By learning the free radical pair Biological mechanism the theoretical model of magnetic sensitivity based on binuclear free radical pairs will be established. In this project, there are two main technologies are set as breakthrough points. Firstly, the chain electron donor-acceptor biomimetic material will be synthesized artificially. And the radiation deactivation rate of radical intermediates will be accelerated by conjugated chains, which can decrease the influence of environmental thermal fluctuations. Secondly, the Fe3O4 nano-gradient field will be fabricated so that the electron pair achieves anisotropic hyperfine couplings could further increase detection sensitivity. The purpose of project is to develop a new kind of magnetic sensing method with higher precision and less affected by temperature fluctuation.

该项目针对深空深海探测对高精度、低温度系数磁传感的应用需求，借鉴候鸟利用磁感蛋白中自由基对的超精细耦合进行精确地磁导航的生物机理，建立基于双核自由基对的磁敏感理论模型。拟重点突破链形电子供体-受体仿生磁感材料的人工合成技术，通过共轭链长度适当调控自由基对中间体的弛豫时间，使其既能感应微弱磁场的变化，又远小于热力学平衡时间，从而降低环境温度涨落对其影响；突破基于Fe3O4磁性纳米颗粒的梯度场制造技术，增强自由基对间各向异性超精细耦合，进一步提高探测灵敏度。最终形成一类新型的受温度涨落影响小且灵敏度较高的仿生量子磁传感方法。

高精度磁传感测量技术在资源勘探、国防建设、工业生产等领域发挥着重要的作用。本项目借鉴生物界中候鸟利用磁感蛋白中自由基对的精细耦合进行精确地磁导航的生物机理，建立磁光高效耦合的磁敏模型。围绕项目要求，针对链状磁敏单元和磁光晶体两类材料，开展了磁敏机理研究、磁敏单元的制备与优化、磁信息的解算、传感器的集成测试等研究工作。首先，利用自旋动力学理论建立了自由基对自旋量子的磁感模型，并针对链状磁感分子，以菲为电子受体，二甲基苯胺为电子供体，制备出了链状磁感晶体Phen-(CH2)10-O-(CH2)2-DMA，产物的纯度达到了97%以上；搭建了荧光测试系统对该分子的磁场效应(MFE)进行了探究，观测到荧光随外部磁场的性能分布及其随磁场的矢量变化；并探究了超精细耦合与Δg机制共同作用的磁诱导机制。其次，基于磁光的高效耦合机制，利用回音壁微腔对光场的局域增强效应，分别开展了基于光学谐振腔的Fe3O4纳米磁流体和Terfenol-D的磁传感研究。分别从理论和实验角度设计加工了基于回音壁模式的空心微球腔与微瓶腔，将纳米磁流体灌装到空心瓶腔，制备了小型化微腔磁传感器；为了提升传感精度采用光纤缠绕超磁致伸缩材料Terfenol-D作为光学谐振磁敏感单元；采用单路频率锁定技术，利用锁相放大器将激光器的中心频率实时锁定，实现了信号的高信噪比读出，测试精度达到44 fT/Hz1/2；并在此基础上提出了一种激光频率组合调谐锁定方法提高系统的频率锁定精度和热稳定性。最后利用纳光机电系统实现了谐振式磁传感器的高灵敏和小型化。将磁致效应与纳机电谐振结构结合，利用黑磷和Terfenol-D设计了一种光学激发光学读出的新型纳光机电磁矢量传感器，核心结构的尺寸缩小至μm2量级。本项目最终形成一类新型的高精度、小型化的仿生磁传感方法，为基于导航与探测的磁传感器件开发提供科学依据。