微腔光力磁力仪因其小型化、低功耗、易片上集成、常温工作、灵敏度高与带宽大等潜在优势，近年来吸引了广泛的研究兴趣。前期工作中，研究人员通过将磁致伸缩材料铽镝铁（FeTbDy）薄膜与高品质因子光学微腔结合，实现了可批量制备的微腔光力磁力仪。然而，实现的灵敏度较差，较大的限制其应用场景。如何制备出高灵敏、可批量制备的微腔光力磁力仪成为当前该领域的研究重点。
为提升可批量制备的微腔光力磁力仪的灵敏度，近期来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的李贝贝研究员团队通过将FeTbDy材料替换为磁致伸缩性能更好的FeGaB材料（图1 a-c），将可批量制备的微腔磁力仪的灵敏度提升了两个数量级以上，达到1.68pT/Hz1/2（图1d）。该磁力仪灵敏度的显著提升主要归因于FeGaB材料在单位磁场下的磁致伸缩应变更大，因此对微弱磁场具有更高的灵敏度。同时，FeGaB具有更好的软磁性，因此无需偏置磁场即可达到最优工作状态。此外，该工作采用了微盘腔结构，相比于前人工作中的微芯圆环腔具有更好的可重复性和批量制备能力。这一突破性进展为可批量生产的高性能微腔光力磁力仪的实际应用铺平了道路。为进一步探索该微腔光力磁力仪在实际应用中的可行性，该研究团队在实验室中模拟了高压输电线中产生的电晕电流信号，并利用研制的微腔磁力仪实现了对电晕电流产生的脉冲磁场信号的测量（图1 e-g）。该研究结果表明，微腔光力磁力仪有望应用于实际的电晕电流监测，对高压输电线的电晕放电机理进行分析，并为高压输电线的设计和架构提供指导。
图1 微腔光力磁力仪的原理示意、实验测量图。a，微腔光力磁力仪的结构示意图；b-c，微腔光力磁力仪的扫描电镜显微图和光学显微图；d，微腔光力磁力仪对不同频率磁场的灵敏度；e，通过探测磁场的方式去监测电晕电流的示意图；f，使用函数发生器模拟产生的电晕电流信号；g，微腔磁力仪对电晕电流产生的磁场的响应。
本研究工作通过对磁致伸缩材料的优化，实现了微腔光力磁力仪灵敏度的大幅提升。基于这一优异的磁场探测能力，微腔光力磁力仪未来有望应用于电晕电流的监测等应用场景。进而通过微加工技术可在同一个芯片上制备微腔光力磁力仪阵列，并通过与微腔光梳光源相结合，实现并行探测，未来有望应用于磁感应层析等磁成像领域。
本工作受到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、科技创新2030重大项目、中国科学院项目等的资助。中国科学院物理研究所李贝贝研究员、蔡建旺研究员、刘永昌特聘研究员为通讯作者，博士生胡志刚、高艺萌、刘健飞为共同第一作者。相关成果以“ Picotesla-sensitivity microcavity optomechanical magnetometry”为题，于2024年9月29日发表在Light：science & applications. 13, 279 (2024)。
编辑：千里雁啼
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