中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
高品質(zhì)（Q）回音壁模式（WGM）光學(xué)微腔已成為很多應用的通用平臺，包括量子光學(xué)、光學(xué)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(chǎng)相對較強，已被用于單個(gè)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(xué)開(kāi)辟了新領(lǐng)域。例如，這些器件有助于實(shí)現量子相干耦合、光力誘導透明和光力冷卻。除了量子現象，WGM光力技術(shù)還加速了最先進(jìn)傳感器的發(fā)展，在檢測力、加速度和超聲波方面實(shí)現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(kāi)了大門(mén)。與超導量子干涉器件磁力計和無(wú)自旋交換馳豫原子磁力計等最先進(jìn)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(diǎn)。
微腔光力磁力計利用磁場(chǎng)與機械運動(dòng)之間的耦合，實(shí)現了對磁場(chǎng)的高靈敏度光學(xué)檢測。當施加磁場(chǎng)時(shí)，它會(huì )在磁致伸縮材料中產(chǎn)生應變，導致微腔變形并改變其光學(xué)共振頻率。當磁場(chǎng)頻率與機械共振頻率相匹配時(shí)，磁場(chǎng)感應力可顯著(zhù)調節腔內磁場(chǎng)。由于高Q值WGM微腔中光力響應的雙重增強，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構。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性。第二種是在光學(xué)微腔內濺射涂覆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(xué)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和更優(yōu)越的軟磁特性。它能對弱磁場(chǎng)做出響應，而無(wú)需偏置磁場(chǎng)。FeGaB的非晶態(tài)特性還簡(jiǎn)化了薄膜制造工藝。除了材料的改進(jìn)，研究團隊還優(yōu)化了測量參數。通過(guò)精心選擇激光頻率失諧，能夠有效抑制系統中的技術(shù)噪聲，使其達到熱噪聲極限。通過(guò)這種方法，實(shí)現了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(gè)數量級。此外，研究團隊還展示了一個(gè)概念驗證應用，用于檢測模擬高壓輸電線(xiàn)電暈電流的脈沖磁場(chǎng)信號。
微腔光力磁力計圖解，采用涂覆FeGaB薄膜的硅基微盤(pán)
在微腔光力磁力計中引入FeGaB材料，可以有效地將磁信號轉換為可測量的機械響應。在這項研究的基礎上，通過(guò)將FeGaB薄膜與CMOS兼容的氮化硅微環(huán)諧振器相結合，可以設想出完全集成的微腔光力磁力計。這為大規模生產(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測、磁感應斷層掃描和腦磁圖等應用領(lǐng)域具有巨大的潛力。先進(jìn)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。
