【超高灵敏磁性探测器 打开强磁场下微纳材料新视野】#科技前线#

在材料科学的“微观世界”里，磁性测量是理解材料本质、设计新型功能材料的重要方法。

中国科学院合肥物质科学研究院低功耗量子材料研究团队，成功研制出一款超高灵敏的磁性测量设备——适用于稳态强磁场实验装置（SHMFF）和各类商业磁体的紧凑型动态磁扭矩探测器。

强磁场下的磁性测量

在磁性测量中，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。

在强磁场下，科学家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。

尽管大科学装置SHMFF为科学家提供了稳态强磁场的极端实验环境，但强磁场环境对传统磁性测量提出了挑战。常用的“振动样品磁强计”在磁场快速变化时会产生较强的背景噪声，导致测量精度受限，只能探测磁矩大于10-9A·m2的样品，更适合测量体积较大的材料。

随着物质科学的发展，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，已远超传统磁强计的探测极限。

巧妙设计“自动对焦”

为满足对微纳尺度材料进行超高灵敏磁性测量的需求，动态磁扭矩探测器应运而生。

这款探测器磁矩测量灵敏度可达10-17A·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。

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。再利用激光照射悬臂梁，通过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。

使用激光还面临一大挑战：温度变化会导致材料热胀冷缩，使激光焦点偏移，造成测量误差。

为突破这一限制，研究团队创新地提出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，使其在温度变化时“互相牵制”，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。

该技术成功将探头直径压缩至22mm，完美适配包括SHMFF 32mm口径磁体、综合物性测量系统及Janis 9T磁体在内的多种磁体，同时保持10-17A·m2量级的超高探测灵敏度。

打开微观世界新窗口

该设备已经在多个实验平台成功应用。研究团队利用它精确测量了厚度仅为32纳米的二维磁性材料Cr2Ge2Te6的磁相变过程，获得了其磁化强度和磁各向异性常数，并在Kagome金属ZrV6Sn6中清晰观测到了量子振荡现象，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。

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。