《科学》发布：物理学院季伟团队首次实现超灵敏LeMaMa悬磁仪
发布时间: 2026-08-11 17:19:11
磁场无处不在。从磁铁表面的特斯拉级强磁场，到人体脑神经活动产生的飞特斯拉（fT，千万亿分之一特斯拉）级微弱磁场，磁场强度跨越十多个数量级。如何在日常环境下准确测量飞特斯拉级微弱磁场，一直是现代精密测量领域的重要挑战。长期以来，国际上飞特斯拉级超灵敏磁场测量主要依赖两类技术：基于超导量子相干效应的 SQUID磁力计和原子磁力计。尽管它们都能达到飞特斯拉级灵敏度，但通常需要低温、高温或极低背景磁场等特殊工作条件，难以直接在室温和自然地磁场环境下运行。
如今，这一技术瓶颈终于被突破。北京大学季伟团队与合作者成功研制出全球首台基于室温悬浮铁磁体的超灵敏磁力仪，并将其命名为“悬磁仪”（LeMaMa，Levitated Magnet Magnetometer）。该工作首次利用室温悬浮铁磁体实现飞特斯拉量级的磁场测量，为发展新一代超灵敏磁力计开辟了新的技术路线。
铁磁体具有优异的磁响应能力，是发展超灵敏磁场传感器的理想材料。近年来，国际上逐渐认识到，如果能够让宏观铁磁体实现稳定悬浮，并摆脱机械摩擦的限制，就有望同时获得极高的磁场响应能力和极低的本底噪声。然而，要实现这一设想并不容易：如何在室温下实现稳定悬浮，并在不引入额外噪声的前提下对悬浮磁体进行高精度测量，一直是制约这一技术路线发展的关键挑战。
为解决这一难题，研究团队设计了一种全新的悬浮磁场探测方案（如下图所示）：利用上方固定磁铁抵消重力、下方特殊设计的抗磁材料提供稳定力，使传感磁铁悬浮于空中。团队还研制出一种新型低噪声抗磁材料，大幅抑制了传统抗磁材料中的热电流噪声。悬浮磁体本身就是磁场探针。外界磁场变化会引起磁体发生微小摆动，研究团队利用高稳定性光杠杆系统精确读取其运动，并测得外界磁场。
悬浮磁场探测方案
实验中，悬磁仪在毫特斯拉量级的背景磁场下，实现了32飞特斯拉每根号赫兹（32fT/√Hz）的磁场灵敏度。换句话说，即使处在地球天然磁场这样的较强背景中，它仍能分辨出比地磁场弱约十亿倍的微小磁场变化。由于核心传感器仅为几百微米，悬磁仪兼具高灵敏度和小型化优势，可用于高空间分辨率磁成像和近距离磁场探测。未来，悬磁仪有望用于搜寻暗物质等新物理信号，以及神经磁信号测量、地球物理勘探等领域。
悬磁仪在毫特斯拉量级的背景磁场下，实现了32飞特斯拉每根号赫兹（32fT/√Hz）的磁场灵敏度
相关成果以“Levitated Sensor for Magnetometry in Ambient Environment”为题，于2026年8月6日在线发表于《科学》。季伟与德国美因茨大学徐昌豪博士为共同第一作者和共同通讯作者，北京大学为第一通讯单位。东北师范大学曲国峰副教授和德国美因茨大学Dmitry Budker教授对本研究作出重要贡献。本项工作获《自然》新闻专题报道。季伟和徐昌豪接受《自然》记者采访，介绍了该工作的研究背景、技术特点及应用前景。该研究得到欧盟“卓越科学-未来与新兴技术”计划、中央高校基本科研业务费北京大学专项资金，以及核物理与核技术全国重点实验室等项目的支持。
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