中國科學技術大學研發手持量子磁力計可追蹤地鐵列車動態

中國科學技術大學的研究人員展示了一款手持量子磁力計，能夠檢測城市街道下方的地鐵列車。在現實世界的測試中，這款小型設備追蹤了列車到達、停靠及離開車站時地球磁場的變化。彭新華及其團隊為那些常規高敏感度儀器難以使用的地方開發了這款磁力計。他們相信，這項技術將來可能有助於通過檢測潛艇在水下的磁簽名來進行潛艇偵測。

手持設備的特點

這款手持設備的體積約為 7 立方厘米（0.4 立方英寸），僅需 5 瓦特的功耗。儘管體積小巧，但它能夠在地球較大背景磁場的影響下，檢測到磁擾動。該磁力計使用一個充滿銣蒸氣的小型單元。鐳射光線穿過蒸氣時，周圍磁場的變化會改變銣原子的行為。這些變化影響傳輸的鐳射光量，使系統能夠計算磁場強度。該設備在 0.1 至 10 赫茲的低頻範圍內，靈敏度約為 10 皮 Tesla 每平方根赫茲。

更靈敏的儀器，如超導量子干涉儀和自旋交換無鬆弛原子磁力計，可以檢測到低於 1 飛 Tesla 的磁場，但通常需要極低的溫度或廣泛的磁屏蔽。中國團隊的設備設計能夠在變化環境中良好運行。它始終跟蹤銣原子的共振頻率，類似於收音機保持調諧到特定頻道。快速的磁場變化、探測器運動或不均勻的磁場可能導致系統失去這個鎖定。研究人員開發了一個算法，監控信號強度及共振峯形狀，當鎖定丟失時，能夠掃描整個頻率範圍以定位共振中心，並在不到一秒的時間內恢復操作。

該磁力計的變化速率為每秒 25,200 納 Tesla。

實地測試與應用

研究人員進一步測試了該傳感器，超出了地鐵的演示。在一項長期監測實驗中，它記錄了去年 6 月 1 日的 G4 級地磁風暴。該風暴在地球磁環境中產生了強烈的變化，並將極光推至異常低緯度。據報導，極光顯示已南延至加利福尼亞，而中國黑龍江省出現了罕見的粉紅色極光。手持磁力計的測量結果與韓國靜岡的國際實時磁觀測網（INTERMAGNET）站的數據密切匹配，顯示出相似的波形、尖峯時間及更廣泛的趨勢，並且設備持續運行而未失去信號鎖定。

另一項實地測試涉及在農田下尋找一根埋藏的磁棒。研究人員在一個 40 米乘 25 米（約 131 英尺乘 82 英尺）的區域進行了盲測，該磁棒埋藏約 0.5 米（1.6 英尺）深。團隊以蛇形掃描模式移動手持傳感器，並生成了一個二維磁圖。結果的異常顯示出一個中心，與磁棒的實際位置非常接近。研究人員表示，這種方法同樣可以支持潛艇偵測、導航及定位。其他提議的應用包括礦產勘探、地雷清除、地下金屬管道故障診斷、城市交通監測及尋找未爆彈。

該研究的詳細內容發表於《物理學報》。

量子磁力計的潛在應用與意義

這款手持量子磁力計的開發，展示了量子技術在實際應用中的潛力，尤其是在城市交通監測和潛艇偵測方面。隨著科技進步，這類設備能夠在複雜環境中運作，並提供高靈敏度的磁場檢測，這對於安全與資源勘探等領域具有重要意義。未來，這項技術可能會推動更多創新應用，改善我們對地下結構的認識，並提升相關行業的效率。