基于“腔共振短脉冲测量”和“MEMS磁聚集结构”的原子磁显微方法

Atomic magnetometry can achieve a sensitivity of fT, while it does not need the liquid helium cooling equipment. The other advantage of atomic magnetometry is that it can obtain the magnetic image without scanning. However, due to the atoms’ diffusion, the atoms can sense field in different position, which limits the spatial resolution of atomic magnetic measurement. In the meantime, the thickness of the atomic vapor cell wall determines the distance between the sample and the atom, which lead to the attenuation of the sample’s magnetic field, thus the deterioration of the magnetic sensitivity.. To solve the two problems described above, we propose “cavity resonance short pulse atomic magnetometry” and “MEMS magnetic concentrating structure” based on our researches on short pulse pumping and MEMS atomic vapor cell. “Cavity resonance short pulse atomic magnetometry” uses the resonance of the cavity to shorten the time of polarization building as well as to enhance the siganl, which is a key in the short pulse pumping magnetic image. “MEMS magnetic concentrating structure” leads the sample magnetic field into the atomic vapor cell, which eliminates the thickness of the vapor cell wall completely. These two methods will improve the spatial resolution of atomic magnetometry from millimeter to micron, and achieve a higher magnetic sensitivity than the other magnetic microscopies.

原子磁测量可以实现亚fT量级的磁场灵敏度，并且具有不需要液氦低温致冷，能直接成像等优点。但是由于原子的扩散，导致在测量时间内原子感受不同位置的磁场，降低了原子磁测量的空间分辨率；同时常规原子气室的侧壁厚度决定了样品和敏感原子之间的最小距离，导致样品磁场的衰减和磁场灵敏度的降低。. 针对原子气室磁显微中的上述两个问题，本项目在前期短脉冲抽运和MEMS原子腔研究的基础上，提出“腔共振短脉冲测量”方法和“MEMS磁聚集结构”。腔共振短脉冲测量方法通过腔共振缩短极化建立时间，增强磁测量信号，是利用短脉冲抽运实现高空间分辨率的关键。MEMS磁聚集结构将样品磁场通过微型结构引入原子气室内部，能从根本上消除气室侧壁的厚度。这两个方面的联合实验有望将原子磁成像的空间分辨率从目前的毫米量级提高到微米量级，同时获得比目前其他磁显微方法更高的磁场灵敏度。

基于原子气室内气态自旋的磁强计是目前灵敏度最高磁场测量方式，但是这类磁强计空间分辨率较低，难以实现自旋分布和磁场分布的显微成像。针对这一问题，项目组主要开展了基于高灵敏度腔共振短脉冲测量方法和基于MEMS微结构的原子气室磁显微成像方法研究。主要研究内容包括：腔共振原子气室的制备和基于短脉冲的新型横向磁场测量方法、MEMS磁结构原子气室的制备和原子气室空间动态特性测量方法、原子自旋和磁场空间显微成像以及原子气室空间分辨率判定准则和模型的分析等。项目取得的主要研究进展和重要结果包括：经过多次工艺改进，完成了高灵敏度腔共振原子气室的制备；提出自旋投影噪声与根号T2成正比的短脉冲抽运横向磁场测量方法，并完成了相应的实验验证；制备出集成MEMS磁调控微结构的原子气室；设计了基于数字微镜的原子气室内自旋空间动态特性测试方案，开展了相关的理论分析,首次完成了原子气室内自旋空间动态特性的测量；提出并验证了时空双重调制方法和正交旋光测量方法，实现了最小线条宽度为13.7μm的自旋和等效磁场成像，突破了无扩散干扰距离的限制。通过项目的深入研究，加深了对气室内自旋空间动态特性的理解，该研究是量子感知系统空间动力学响应中重要的组成部分。相关研究也为后续自旋扩散和自旋高精度空间谱学的分析提供了新的测量手段和技术基础。自旋投影噪声与根号T2成正比的短脉冲横向磁场测量方法为后续深入研究量子散粒噪声提供了重要的手段，对于量子散粒噪声研究具有重要的意义。腔共振原子气室的工艺研究为高灵敏度测量提供了新的器件及其制备方法，有望降低对技术噪声的约束，应用于技术噪声难以抑制的场合。结合时空双重调制方法和正交旋光测量方法，可以实现更精细的原子气室内自旋和磁场的空间分布测量，这在纳米颗粒生物造影成像、材料空间磁特性分析等领域具有广泛的应用前景。