具有全局快门和差分读出的钟形泵浦原子磁视频记录器

观看看不见的磁场电影

磁场无处不在，从我们心脏的跳动到计算机芯片上微小导线中的电流——但它们是看不见的，通常也非常微弱。本文介绍了一种新型“磁视频记录器”，能够实时拍摄这些微弱的磁场分布，具有高分辨率、非接触，并且无需笨重的低温设备。这样的工具可用于电池诊断、引导医疗器械或揭示微观磁性颗粒如何移动和相互作用。

把原子变成微小的磁性记录器

核心思路是利用一层稀薄的铯原子蒸气作为实时屏幕，对附近的磁场作出响应。当存在磁场时，原子内部的“自旋”会进动——类似于微小陀螺在恒定方向上产生的摆动。一段精确定时的圆偏振泵浦光脉冲首先将这些自旋对齐；在这个“泵浦”阶段之后，关闭光源，让原子在周围磁场中自由摆动。随后，一束较弱的线偏振探测光穿过同一蒸气，并被旋转的原子微弱扭曲。通过测量这一旋转随时间的变化，系统可以推断出该位置处的磁场强度。

一次性捕获磁场图像

传统的原子磁力计常常逐点扫描或使用粗糙的探测器阵列，这使得它们速度较慢且细节受限。在这里，作者构建了类似相机的系统，包含 684 个独立通道，能在约 5×2.6 毫米的区域上以高达 205 帧每秒的速度记录二维磁场图案。系统并非使用许多分离的传感器，而是用一块高速图像传感器分为两半。探测光束被分成两种正交偏振，在传感器两半上形成配对的光斑模式。通过对每对光斑的亮度做差分，系统可以抵消共同噪声——例如激光功率波动——同时保留由磁场引起的微小变化。

用智能光学锐化图像

为获得清晰、细致的磁场图像，作者必须避免来自芯片和原子的模糊。在传感器端，像素之间可能相互“串话”，造成细节模糊。团队通过微透镜阵列将每个通道的光聚焦到传感器上的小区域，同时在它们之间留出暗隙，从而大幅减少泄露。数字微镜器件——由许多可倾斜的小镜子组成——将探测光整形成许多分离的子光束，并允许精确匹配传感器两半上每对光斑的位置，即使光学系统引起形状畸变也能校正。在原子端，作者分析了原子在蒸气室内的扩散行为，并据此设计通道间距，使相邻区域保持有效独立，达到约 137 平方微米的空间分辨率，接近由扩散决定的物理极限。

测量移动和变化的磁场

为了展示他们的磁视频记录器的能力，研究者拍摄了一个携带恒定电流的小螺线管线圈在通过蒸气室时的磁场。他们将记录结果与基于标准磁学理论的计算机模拟进行比较，发现测得的场分布及其随时间的演化与预测模式高度一致，只有由于测试线圈和运动的微小缺陷导致细小偏差。该系统在有用的频率范围内实现了约 194 皮特斯拉每根赫兹的平均灵敏度，并且能够跟踪频率达数百赫兹的时变磁场。这种灵敏度、帧速率和视野的组合与其他二维磁成像方法相比具有优势：比扫描方法更快地实现整体记录，并且比许多固态技术具有更好的灵敏度。

这台磁性相机为何重要

简而言之，作者将一层温暖的稀薄原子云加上智能光学相机，变为了用于不可见磁场图案的高速视频系统。它可以在不接触被测物且无需将传感器冷却到极低温度的情况下“拍摄”微弱磁场在空间和时间上的变化。尽管它没有达到实验室中最灵敏仪器的极限灵敏度，但在实用性上取得了平衡：速度快、体积相对紧凑，并且足够细致以捕捉微小结构和运动源。这使其成为监测电池健康、追踪微小磁性颗粒或观察复杂器件中细微电磁过程等实际任务的有前景工具。

引用: He, X., Dong, H., Hua, Z. et al. A bell-bloom atomic magnetic-videorecorder with global shutter and differential readout. Microsyst Nanoeng 12, 147 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01282-5

关键词: 原子磁力计, 磁成像, 光学传感, CMOS 传感器, Bell-Bloom 技术