云南
常言道，工欲善其事，必先利其器。在微觀世界的探索中，磁性是解讀材料本質特性的一把關鍵“鑰匙”——因為它能直接窺探材料最內層的電子世界，揭示自旋排列、磁相變乃至量子行為的奧秘。然而，隨著微納尺度新材料的不斷涌現，其磁信號愈發微弱，傳統測量設備在強磁場環境中已顯得“力不從心”，再難捕捉這些渺小卻關鍵的磁性蹤跡。
這一長期困擾學界的測量困境，如今被中國科學家成功破解。近期，我們團隊（中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心低功耗量子材料研究團隊），成功研制出一款“磁探小能手”——緊湊型動態磁扭矩探測器。它可以用于穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)和各類商業磁體，其磁矩測量靈敏度可達10-17A·m2，為強磁場下探索低維磁性材料、量子功能材料和生物弱磁材料等提供了強有力的技術支撐。
圖1. 相關研究成果以《緊湊型動態磁扭矩探測器》（Compact Dynamic Cantilever Magnetometry）為題發表在《科學儀器評論》（Review of Scientific Instruments）上
（圖片來源：Review of Scientific Instruments）
強磁場里的測量困境：“小”材料“看”不清
磁性對于理解材料本質、設計新型功能材料至關重要。比如最常探測的，就是電子自旋產生的微小磁矩。每個磁矩如同一個微小的指針，它們的方向、分布，藏著磁相變、量子磁態等核心秘密，這也是材料設計的重要“鑰匙”。
而在磁性測量中，想要“撬動”這些磁信號，科學家常靠強磁場——就像磁場可以讓指南針指向特定方向一樣，強磁場能改變材料內部磁矩的排列方式和朝向，有時甚至誘發奇特的物理現象。如今，強磁場已成為調控材料性質的重要工具：科學家在強磁場下相繼發現了量子霍爾效應、拓撲物態等前沿成果，并利用核磁共振技術解析了蛋白結構等，極大推動了基礎科學和社會技術的發展。在中國合肥，大科學裝置SHMFF就為科學家提供了這樣穩態強磁場的極端實驗環境。
可問題來了：傳統的磁性測量設備，比如“振動樣品磁強計”，在強磁場環境下有點“力不從心”。它依靠線圈感應磁信號并將其轉化為電信號進行檢測，但在磁場快速變化時，就會產生較強的背景噪聲，導致測量精準受限，只能探測磁矩大于10-9A·m2的樣品——也就是說，它只適合測量體積較大的材料。
但隨著物質科學的發展，科研界涌現出大量新奇的低維量子材料，如量子磁性材料、二維超導材料、拓撲量子材料等。這些材料的尺寸通常在微米至納米量級，體積小、磁信號微弱，磁矩一般低于10-14A·m2，已遠超傳統磁強計的探測極限。
為滿足對微納尺度材料進行超高靈敏磁性測量的需求，科學家亟需一款更高靈敏度的新設備。
新探測器的核心“魔法”：“小彈簧”+激光
動態磁扭矩探測器就這樣應運而生，其探測靈敏度可達10-17A·m2。
該探測器的核心，是一個能以特定共振頻率振動的懸臂梁結構，形似一根小彈簧。當將微納樣品被安裝在懸臂梁末端、置于磁場中時，樣品會受到一種叫“磁扭矩”的作用力——類似于被輕輕擰了一下，這種力會引起懸臂梁共振頻率的變化。再利用激光干涉測距技術，實時監測頻率變化，從而精確獲得材料的磁性信息。
圖2. 動態磁扭矩探測器工作原理示意圖
（圖片來源：中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心）
不過，使用激光測信號會有一個棘手的問題：環境溫度變化會導致材料熱脹冷縮，使激光在照射時很容易發生焦點偏移，造成測量誤差。
以往傳統解決方案是用復雜的三維機械位移臺設備來調焦。但這類機械設備體積龐大，探頭直徑通常超過100mm，根本無法適配SHMFF等僅32mm口徑的磁體。
圖3. 傳統動態磁鈕矩探測器
（圖片來源：Review of Scientific Instruments）
為突破這一限制，研究團隊創新性地提出并實現了激光自對焦補償技術。該技術用兩種熱脹冷縮系數顯著不同的材料制作光纖支架——溫度變化時，一種材料“想伸長”，另一種“想縮短”，兩者“互相牽制”，就能自動校準激光焦點。就像給激光裝上了“自動對焦”系統，從而省去了復雜的機械調節設備。
這個設計一下子就將探頭直徑壓縮至22mm，不僅完美適配包括SHMFF32mm口徑磁體、綜合物性測量系統（26mm口徑）及Janis 9 T磁體（32mm口徑）在內的多種磁體，還能同時保持10-17A·m2量級的超高探測靈敏度。
圖4. 緊湊型動態磁鈕矩探測器
（來源： Review of Scientific Instruments）
潛力無限：打開材料探索新維度
這款小巧而靈敏的設備，已經在多個實驗平臺交出了漂亮的答卷。研究團隊利用它精確測量了厚度僅為 32 nm的二維磁性材料Cr2Ge2Te6的磁相變過程，獲得了其磁化強度和磁各向異性常數；在Kagome金屬ZrV6Sn6中，清晰地觀測到了量子振蕩現象。這些應用充分驗證了該設備在強磁場環境下探測微弱磁信號的卓越能力。
圖5. 動態磁鈕矩探測器在SHMFF和各類商業磁體中的應用
（圖片來源：中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心）
這臺緊湊、精密的動態磁扭矩探測器，不僅提升了磁性測量的靈敏度，更突破了傳統設備體積大、適配性差的局限，使得強磁場下的微弱磁信號測量成為現實。未來，這款“中國智造”的精密儀器還將在低維磁性材料、量子物態研究乃至生物磁學等諸多前沿領域大放異彩，解鎖更多材料的“隱藏屬性”，為科學探索打開新的大門。
出品：科普中國
作者：王康（中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心 副研究員）
監制：中國科普博覽
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