中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
高品質(zhì)（Q）回音壁模式（WGM）光學微腔已成為很多應(yīng)用的通用平臺，包括量子光學、光學微梳和高靈敏度傳感等。WGM微腔的本征模型接近波導表面，因此絛逝場相對較強，已被用于單個蛋白質(zhì)和病毒的靈敏檢測。此外，光力WGM微腔（例如硅基微環(huán)諧振器）獨特的雙共振特性為量子光學開辟了新領(lǐng)域。例如，這些器件有助于實現(xiàn)量子相干耦合、光力誘導透明和光力冷卻。除了量子現(xiàn)象，WGM光力技術(shù)還加速了最先進傳感器的發(fā)展，在檢測力、加速度和超聲波方面實現(xiàn)了前所未有的靈敏度。此外，WGM微腔與磁致伸縮材料的集成，為新型微腔光力磁力計打開了大門。與超導量子干涉器件磁力計和無自旋交換馳豫原子磁力計等最先進的磁力計不同，微腔光力磁力計具有室溫工作、可芯片級集成和低功耗等優(yōu)點。
微腔光力磁力計利用磁場與機械運動之間的耦合，實現(xiàn)了對磁場的高靈敏度光學檢測。當施加磁場時，它會在磁致伸縮材料中產(chǎn)生應(yīng)變，導致微腔變形并改變其光學共振頻率。當磁場頻率與機械共振頻率相匹配時，磁場感應(yīng)力可顯著調(diào)節(jié)腔內(nèi)磁場。由于高Q值WGM微腔中光力響應(yīng)的雙重增強，這些磁力計可以達到極高的靈敏度。迄今為止，這些微腔磁力計主要有兩種結(jié)構(gòu)。第一種是人工將Terfenol-D粒子嵌入微環(huán)形腔，使靈敏度達到26 pT/√Hz。然而，這種技術(shù)在擴展方面具有挑戰(zhàn)性。第二種是在光學微腔內(nèi)濺射涂覆Terfenol-D薄膜，這種方法具有更好的擴展性，然而，這些器件的靈敏度被限制在585 pT/√Hz。
中國科學院物理研究所李貝貝研究員領(lǐng)導的一支研究團隊近期在Light Science & Applications期刊上發(fā)表了一篇研究論文，報道了一種高靈敏度、可量產(chǎn)的微腔光力磁力計。研究人員用一種非晶態(tài)FeGaB合金取代了常用的Terfenol-D，具有更高的壓磁系數(shù)和更優(yōu)越的軟磁特性。它能對弱磁場做出響應(yīng)，而無需偏置磁場。FeGaB的非晶態(tài)特性還簡化了薄膜制造工藝。除了材料的改進，研究團隊還優(yōu)化了測量參數(shù)。通過精心選擇激光頻率失諧，能夠有效抑制系統(tǒng)中的技術(shù)噪聲，使其達到熱噪聲極限。通過這種方法，實現(xiàn)了1.68 pT/√Hz的靈敏度，比以前的可量產(chǎn)微腔光力磁力計提高了兩個數(shù)量級。此外，研究團隊還展示了一個概念驗證應(yīng)用，用于檢測模擬高壓輸電線電暈電流的脈沖磁場信號。
微腔光力磁力計圖解，采用涂覆FeGaB薄膜的硅基微盤
在微腔光力磁力計中引入FeGaB材料，可以有效地將磁信號轉(zhuǎn)換為可測量的機械響應(yīng)。在這項研究的基礎(chǔ)上，通過將FeGaB薄膜與CMOS兼容的氮化硅微環(huán)諧振器相結(jié)合，可以設(shè)想出完全集成的微腔光力磁力計。這為大規(guī)模生產(chǎn)高靈敏度集成磁力計鋪平了道路。這種CMOS兼容的磁力計在電暈電流監(jiān)測、磁感應(yīng)斷層掃描和腦磁圖等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力。先進材料和光子集成在CMOS兼容平臺上的融合，是向緊湊、靈敏、可擴展量子磁傳感器邁出的變革性一步。
