强大磁场中，如何听见“磁心”的微弱跳动？中国科学家给出答案

出品：科普中国

作者：王康（中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心 副研究员）

监制：中国科普博览

常言道，工欲善其事，必先利其器。在微观世界的探索中，磁性是解读材料本质特性的一把关键“钥匙”——因为它能直接窥探材料最内层的电子世界，揭示自旋排列、磁相变乃至量子行为的奥秘。然而，随着微纳尺度新材料的不断涌现，其磁信号愈发微弱，传统测量设备在强磁场环境中已显得“力不从心”，再难捕捉这些渺小却关键的磁性踪迹。

这一长期困扰学界的测量困境，如今被中国科学家成功破解。近期，我们团队（中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心低功耗量子材料研究团队），成功研制出一款“磁探小能手”——紧凑型动态磁扭矩探测器。它可以用于稳态强磁场实验装置(SHMFF)和各类商业磁体，其磁矩测量灵敏度可达10-17 A·m2，为强磁场下探索低维磁性材料、量子功能材料和生物弱磁材料等提供了强有力的技术支撑。

图1. 相关研究成果以《紧凑型动态磁扭矩探测器》（Compact Dynamic Cantilever Magnetometry）为题发表在《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）上

（图片来源：Review of Scientific Instruments）

强磁场里的测量困境：“小”材料“看”不清

磁性对于理解材料本质、设计新型功能材料至关重要。比如最常探测的，就是电子自旋产生的微小磁矩。每个磁矩如同一个微小的指针，它们的方向、分布，藏着磁相变、量子磁态等核心秘密，这也是材料设计的重要“钥匙”。

而在磁性测量中，想要“撬动”这些磁信号，科学家常靠强磁场——就像磁场可以让指南针指向特定方向一样，强磁场能改变材料内部磁矩的排列方式和朝向，有时甚至诱发奇特的物理现象。如今，强磁场已成为调控材料性质的重要工具：科学家在强磁场下相继发现了量子霍尔效应、拓扑物态等前沿成果，并利用核磁共振技术解析了蛋白结构等，极大推动了基础科学和社会技术的发展。在中国合肥，大科学装置SHMFF就为科学家提供了这样稳态强磁场的极端实验环境。

可问题来了：传统的磁性测量设备，比如“振动样品磁强计”，在强磁场环境下有点“力不从心”。它依靠线圈感应磁信号并将其转化为电信号进行检测，但在磁场快速变化时，就会产生较强的背景噪声，导致测量精准受限，只能探测磁矩大于10-9 A·m2的样品——也就是说，它只适合测量体积较大的材料。

但随着物质科学的发展，科研界涌现出大量新奇的低维量子材料，如量子磁性材料、二维超导材料、拓扑量子材料等。这些材料的尺寸通常在微米至纳米量级，体积小、磁信号微弱，磁矩一般低于10-14 A·m2，已远超传统磁强计的探测极限。

为满足对微纳尺度材料进行超高灵敏磁性测量的需求，科学家亟需一款更高灵敏度的新设备。

新探测器的核心“魔法”：“小弹簧”+激光

动态磁扭矩探测器就这样应运而生，其探测灵敏度可达10-17 A·m2。

该探测器的核心，是一个能以特定共振频率振动的悬臂梁结构，形似一根小弹簧。当将微纳样品被安装在悬臂梁末端、置于磁场中时，样品会受到一种叫“磁扭矩”的作用力——类似于被轻轻拧了一下，这种力会引起悬臂梁共振频率的变化。再利用激光干涉测距技术，实时监测频率变化，从而精确获得材料的磁性信息。

图2. 动态磁扭矩探测器工作原理示意图

（图片来源：中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心）

不过，使用激光测信号会有一个棘手的问题：环境温度变化会导致材料热胀冷缩，使激光在照射时很容易发生焦点偏移，造成测量误差。

以往传统解决方案是用复杂的三维机械位移台设备来调焦。但这类机械设备体积庞大，探头直径通常超过100mm，根本无法适配SHMFF等仅32mm口径的磁体。

图3. 传统动态磁钮矩探测器

（图片来源：Review of Scientific Instruments）

为突破这一限制，研究团队创新性地提出并实现了激光自对焦补偿技术。该技术用两种热胀冷缩系数显著不同的材料制作光纤支架——温度变化时，一种材料“想伸长”，另一种“想缩短”，两者“互相牵制”，就能自动校准激光焦点。就像给激光装上了“自动对焦”系统，从而省去了复杂的机械调节设备。

这个设计一下子就将探头直径压缩至22mm，不仅完美适配包括SHMFF32mm口径磁体、综合物性测量系统（26mm口径）及Janis 9 T磁体（32mm口径）在内的多种磁体，还能同时保持10-17 A·m2量级的超高探测灵敏度。

图4. 紧凑型动态磁钮矩探测器

（来源： Review of Scientific Instruments）

潜力无限：打开材料探索新维度

这款小巧而灵敏的设备，已经在多个实验平台交出了漂亮的答卷。研究团队利用它精确测量了厚度仅为 32 nm的二维磁性材料Cr2Ge2Te6的磁相变过程，获得了其磁化强度和磁各向异性常数；在Kagome金属ZrV6Sn6中，清晰地观测到了量子振荡现象。这些应用充分验证了该设备在强磁场环境下探测微弱磁信号的卓越能力。

图5. 动态磁钮矩探测器在SHMFF和各类商业磁体中的应用

（图片来源：中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心）

这台紧凑、精密的动态磁扭矩探测器，不仅提升了磁性测量的灵敏度，更突破了传统设备体积大、适配性差的局限，使得强磁场下的微弱磁信号测量成为现实。未来，这款“中国智造”的精密仪器还将在低维磁性材料、量子物态研究乃至生物磁学等诸多前沿领域大放异彩，解锁更多材料的“隐藏属性”，为科学探索打开新的大门。

本文封面图片来自版权图库，转载使用可能引发版权纠纷

内容来自：中国科普博览

文章来源：科普中国