近日，南京大學(xué)物理學(xué)院黃璞研究團(tuán)隊(duì)與中科大、浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，利用室溫磁懸浮技術(shù)成功的對(duì)地球重力潮汐進(jìn)行了觀測(cè)，這是重力儀研究領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。
 

　　重力測(cè)量從伽利略時(shí)代以來，就一直受到物理學(xué)家們的關(guān)注。它在基礎(chǔ)物理研究和地球科學(xué)研究中都具有相當(dāng)重要的地位。通過對(duì)重力的精確測(cè)量，可以檢驗(yàn)廣義相對(duì)論提出的弱等效原理、搜索宇宙中暗物質(zhì)存在的證據(jù)；通過對(duì)地球上各地的重力分布測(cè)量，我們還可以知道地下礦產(chǎn)資源、水文信息和極地冰川等的分布情況。通過對(duì)火山周圍巖漿流動(dòng)的重力監(jiān)測(cè)，科學(xué)家還可以對(duì)火山的爆發(fā)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
 

　　重力是四種基本相互作用力中強(qiáng)度最弱的力，對(duì)它進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間精確的測(cè)量比較困難。目前國(guó)際上的重力儀技術(shù)有冷原子量子重力儀、低溫超導(dǎo)重力儀、MEMS重力儀、熔融石英彈簧重力儀等。但是它們大多數(shù)都成本高、體積大、工藝復(fù)雜、系統(tǒng)漂移大，不利于長(zhǎng)時(shí)間大規(guī)模應(yīng)用部署。從2018年至今，黃璞課題組一直致力于力信號(hào)精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究與技術(shù)探索，發(fā)展了基于磁懸浮的弱力探測(cè)實(shí)驗(yàn)方法，近年來已取得一系列實(shí)驗(yàn)研究成果，[Phys. Rev. Research, 2(1), 013057 (2020)], [Phys. Rev. Applied, 16(1), L011003 (2021)], [Phys. Rev. Applied, 15(2), 024061 (2021)], [Phys. Rev. Research 3(1), 013205 (2021)], [Nat. Phys. 18 1181 (2022)], [Phys. Rev. Research 5(1), 013030 (2023)]。
 

圖1:基于磁懸浮振子重力儀原理。
 

　　該研究中，研究團(tuán)隊(duì)主要對(duì)地球固體潮汐力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，因?yàn)榈厍蚬腆w潮汐力的最大幅值只有地球重力加速度g的千萬分之三，且其主要能量集中在了周期為24小時(shí)和12小時(shí)這一低頻區(qū)間中，這使得它是一個(gè)可以用來驗(yàn)證重力儀研制成功與否的天然校準(zhǔn)信號(hào)。針對(duì)地球固體潮汐力信號(hào)的準(zhǔn)直流特性，研究團(tuán)隊(duì)利用抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)巧妙的構(gòu)建了一個(gè)小型低頻懸浮力學(xué)振子來盡可能放大振子對(duì)潮汐信號(hào)的位移響應(yīng)。并在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中加入了精準(zhǔn)的溫控系統(tǒng)和磁屏蔽層來抑制外界溫度噪聲和磁噪聲對(duì)振子位移的干擾(圖1)。該力學(xué)系統(tǒng)的核心是常見的永磁體和熱解石墨，成本極低，在室溫工作。磁懸浮重力儀沒有冷原子量子重力儀那么體積龐大，免去了超導(dǎo)重力儀所需的低溫環(huán)境維持設(shè)備，也不需要MEMS系統(tǒng)和熔融石英彈簧系統(tǒng)的復(fù)雜加工工藝。更重要的是，其重力測(cè)量的關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到甚至超過了國(guó)際上先進(jìn)的重力儀。利用該重力儀測(cè)量的地球固體潮汐力信號(hào)如圖2所示。
 

 

　　圖2:潮汐測(cè)量結(jié)果：(a) 從抗磁懸浮重力儀直接獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，每一個(gè)藍(lán)色的圓點(diǎn)代表一個(gè)小時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。該儀器有的線性漂移速度為61 μGal/Day，達(dá)到了國(guó)際上的先進(jìn)水平。(b) 潮汐理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。紅線為理論計(jì)算數(shù)據(jù)，藍(lán)色的點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.97。
 

　　該研究是首次利用室溫磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)作為超高靈敏力學(xué)傳感器來進(jìn)行重力的長(zhǎng)時(shí)間精密測(cè)量，未來通過將該技術(shù)與NV色心固態(tài)自旋等量子系統(tǒng)結(jié)合，指標(biāo)還有望進(jìn)一步提升。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)未來具有芯片化的潛力，為磁懸浮重力儀的小型化和大規(guī)模部署提供了一條思路，未來這一技術(shù)有望在地球測(cè)繪，國(guó)防等重要領(lǐng)域發(fā)揮作用。
 

　　相關(guān)研究成果以“Measurement of the earth tides with a diamagnetic-levitated micro-oscillator at room temperature”為題，于3月22日線上發(fā)表于《Physical Review Letters》，并被編輯選為推薦論文(PRL Editors’ Suggestion)，該工作同時(shí)被美國(guó)物理學(xué)會(huì)《Physical Review Focus》雜志以“Gravity Measurement Based on a Levitating Magnet”為題進(jìn)行了報(bào)道。南京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生冷迎春、陳一鳴、王立華、王浩，與中科大博士李睿為該文的共同第一作者，物理學(xué)院為該文第一單位，物理學(xué)院黃璞教授和浙江大學(xué)杜江峰院士為該論文共同通訊作者。該研究得到了中科院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委等單位的資助，同時(shí)得到了固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。