基于芯片上光力微腔的高灵敏磁力仪研究

Ultrasensitive magnetometers hold great potential in both military and civil applications. The most advanced magnetometer so far is superconducting quantum interference device (SQUID) based magnetometer, which has been applied to several fields. However, it requires cryogenic environment, making the SQUID based equipment (e.g., the commercial MEG machine in hospitals) extremely bulk and expensive. Developing room-temperature magnetometers then becomes very essential for potable and cost-effective magnetometers. In this project, we propose a cavity optomechanical magnetometry, by embedding the magnetostrictive material terfenol-D (Fe2Tb0.3Dy0.7) into a high quality whispering gallery mode microcavity. Such a hybrid system provides a kind of unique room-temperature on-chip micro magnetometer, enabling high sensitivity, broad bandwidth, and low power consumption. Specifically, the magnetic field deforms the magnetostrictive material in the cavity, thus changing the size of the cavity and then shifting the optical resonance, which can be very sensitively readout due to the very high Q of the microcavity. We propose to sputter coat terfenol-D into the microcavity, which provides a simple, highly reproducible and scalable fabrication method. The sensitivity of the microcavity optomechanical magnetometry is predicted to be of the order of pT/Hz^1/2, based on the research experience of the applicant on microcavity sensing and magnetometry.

高灵敏度磁力仪在军用和民用的很多领域都具有非常重要的应用。目前技术上最先进的是基于超导量子干涉仪（SQUID）的磁力仪，具有很高的灵敏度，但需要超低温环境，其设备往往极为昂贵和庞大。近年来新型磁力仪的研究吸引了国际学术界的广泛关注，除追求高灵敏度之外，还需要在常温下工作，且设备小型化和便携化。本项目提出通过将超磁致伸缩材料terfenol-D与高品质因子回音壁模式光学微腔结合，实现常温工作、高灵敏、高带宽、低功耗且易于芯片集成的微型磁力仪。器件原理上，磁致伸缩材料在磁场作用下发生形变，引起微腔尺寸变化，从而造成微腔光学共振模式移动，通过传输谱非常灵敏的读出；器件制备上，我们提出采用磁控溅射法制备磁致伸缩材料于微腔中，是一种工艺简单、重复性好、可批量生产的制备方法，易于将微腔磁力仪推向实际应用。基于申请人在微腔传感、腔光力磁力仪等方面的研究基础，本项目有望实现pT/Hz1/2量级的高灵敏度。

高灵敏磁力仪在军用和民用的很多领域具有非常重要的应用，例如潜艇探测、矿产勘探、核磁共振和脑磁图仪等。目前技术上最成熟的磁力仪是基于超导量子干涉器件(SQUID)的磁力仪，但其需要超低温环境，因此器件较为庞大与昂贵，限制其应用。近些年来研究人员展开对常温下工作的磁力仪的研究，包括原子磁力仪、金刚石氮空位色心的磁力仪、光学微腔磁力仪等。微腔磁力仪通过将磁致伸缩材料与高品质因子回音壁模式光学微腔结合，它通过微腔中的光学模式与机械模式的耦合来实现磁场探测，因此也可以被称为光力微腔磁力仪。此类磁力仪具有常温工作、高灵敏、高带宽、低功耗、尺寸小、可集成等优势。为了克服前期工作中微腔磁力仪制备方法的局限性，本项目提出利用磁控溅射法制备磁致伸缩材料薄膜于光学微腔中，从而实现微腔磁力仪的批量制备。由于磁控溅射法制备磁致伸缩材料薄膜可一次性制备多个器件，且器件之间具有更好的一致性，因此更易于将微腔磁力仪推向实际应用。围绕此研究内容，我们发表Optica文章一篇，物理一篇，具体的研究结果如下：.（a），我们通过微加工方法：包括光刻、氢氟酸腐蚀、二次光刻、磁控溅射镀膜、剥离、XeF2刻蚀、二氧化硅激光reflow等工艺，制备出可批量制备、且一致性好的微腔磁力仪样品。磁力仪器件的灵敏度达到585 pT/Hz^1/2，与之前工作的结果相当，但制备方法更加可控。此外，我们通过对磁控溅射法制备的磁致伸缩材料薄膜在400℃下进行6个小时的后续热退火，将其磁致伸缩系数提高了6倍，这也为后续进一步优化器件的灵敏度提供了新的思路。（b）通过优化微腔磁力仪的结构，将磁力仪灵敏度提高至26 pT/Hz^1/2，与同等尺寸的SQUID磁力仪灵敏度相当，但无需低温环境。（c），通过压缩光探测微腔磁力仪系统，从而抑制来自探测激光的散粒噪声，提高磁力仪性能，包括实现了磁力仪灵敏度20%的提升和带宽50%的提升。