迄今为止最灵敏的磁场传感器都存在一个严重的现实难题。超导量子干涉器件（SQUID）只能在接近绝对零度的条件下工作，需要复杂的低温制冷系统；自旋交换无弛豫（SERF）型原子磁力计则要求对外部磁场干扰进行近乎完美的屏蔽。这两种限制都会迫使传感器远离它所要测量的对象，这对于任何希望探测人脑微弱磁信号的人来说都是坏消息。
由北京大学 Wei Ji 带领、并与 Dmitry Budker 以及美因茨、伯克利等地的同事合作的研究团队，近日展示了一种不同类型的磁力计：一块微小的磁体悬浮在一个约特百惠保鲜盒大小的真空腔中，能够测量飞特斯拉量级的磁场，其强度比地磁场弱一百亿倍。相关成果发表于《科学》（Science）杂志。
传感器磁体直径不足 1 毫米，是一个半径约 410 微米、厚度约 380 微米的圆盘，依靠两种力的平衡悬浮在半空中。其上方的 80 个盘状磁体组成的磁体堆对它产生向上的拉力，以对抗重力；下方的热解石墨板则是抗磁性材料，会产生方向相反的自身磁场，将磁体向上托起并使其保持稳定。一束激光从悬浮磁体的抛光表面反射到位置灵敏探测器上，任何由外部磁场引起的倾斜都会被光学方式读出。
由于磁体与任何物体都没有机械接触，它得以隔绝困扰普通仪器的振动噪声。由于它是铁磁体，其自旋在室温下天然排列整齐，自旋密度约为每立方厘米 10^22 个自旋量子，比原子磁力计中使用的铷蒸气的自旋密度高出约七个数量级。这大大抑制了限制其他设计的自旋投影噪声。吉尔伯特阻尼（Gilbert damping）是铁磁体使磁化扰动弛豫的机制，能在纳秒内将单个自旋的涨落平均掉，因此该传感器实际测量到的是一个干净的集体信号。
工程细节反映出飞特斯拉量级测量有多么苛刻。研究团队将铝制真空腔换成玻璃真空腔，因为金属中的涡流会产生约翰逊噪声，污染测量结果。他们把热解石墨稳定器研磨成粉末并用环氧树脂粘合，将涡流限制在小回路而非大回路中，从而大幅降低耗散。悬浮磁体的扭转模式在约 305 赫兹处共振，品质因数接近 12,000，是一种损耗极低的振荡。
最终成果是：在室温且存在地磁场的条件下，传感器在共振处灵敏度达到每平方根赫兹 32 飞特斯拉，并能容忍高达毫特斯拉量级的残余磁场。这一性能可与 SQUID 和 SERF 磁力计相媲美，却免除了它们所需的苛刻条件。共振频率还可以通过调节悬浮场进行动态调谐，从而在更宽的频率范围内实现闭环运行。
这项研究的动机部分来自生物医学。大脑电活动产生的磁信号极其微弱，传感器离头皮越近，它看到的信号就越强。悬浮设计将样品与传感器之间的距离缩短到几百微米，比低温系统所能达到的距离近一个数量级。同样的原理也适用于心脏信号，以及基础物理研究：该团队长期以来一直有兴趣用精密磁力计搜寻暗物质候选体和奇异的自旋相关力，而悬浮铁磁体正是进行这类搜寻的异常干净的平台。
当然，这一技术也有局限之处。飞特斯拉级的灵敏度只有在扭转共振处才能实现；偏离共振频率的宽带灵敏度则低得多，在较高频率下约为每平方根赫兹 200 皮特斯拉。噪声预算主要来自周围导电材料的约翰逊噪声，因此真空腔和稳定器的工程设计与物理原理同等重要。研究团队指出，在飞特斯拉量级，即使一层薄薄的铝箔也会引入 100 飞特斯拉的噪声。此外，虽然该磁力计在灵敏度上可与成熟技术匹敌，但它尚未在活体大脑上得到验证。
基于共振的工作方式也决定了这种传感器能做什么、不能做什么。该磁力计在其约 305 赫兹的扭转共振附近最灵敏，而这是一个窄带；脑信号则覆盖很宽的频谱，其中很大一部分位于较低频率。研究团队证明，通过调节悬浮场可以将共振频率从约 260 赫兹移至 318 赫兹，这指向一种能跟踪信号漂移的闭环模式。这种方法能否扩展到大多数生物磁信号所在的低频宽带区间，是一个关键的开放问题，答案将决定这台装置从物理学演示走向生物医学仪器的速度。
尽管如此，常温运行、耐受地磁场以及与样品极近的距离，这三点结合在一起，使该技术成为通向可穿戴或床旁磁力测量的异常实用之路。下一步是拓展带宽，并演示一次真实的生物测量。如果这两步成功，这根悬浮的罗盘指针就能为神经科学观察大脑电活动打开一扇新窗口，而无需哪怕一升液氦。
婷 翻译
来源：Ji, W., Xu, C., Qu, G. & Budker, D. Levitated sensor for magnetometry in ambient environment. Science 393, 607-610 (2026). DOI: 10.1126/science.adx1707. Preprint: arXiv:2504.21524. Nature News, August 6, 2026.