南京大学物理学院黄璞合作团队在重力测量研究上取得进展

【仪表网 产品研发快报】近日，南京大学物理学校黄璞科研团队与中国科大、浙大团队协作，运用室内温度磁悬浮技术取得成功对地球重力潮汛展开了观察，这也是重力仪研究方向的一项新技术性。
  重力测量从伽俐略时期至今，就一直受到科学家们的关注。他在基础物理科学研究和地球科研里都具备相当重要的影响力。根据对重力的精准测量，能够检测牛顿力学所提出的弱等效原理、检索宇宙里暗能量探索未解之谜；根据对地球上的全国各地重力遍布精确测量，我们也可以了解地底矿物资源、水文信息和极地冰川等分布特征。根据对活火山周边溶岩流动性重力检测，专家还能对火山的暴发精准预测。
  重力是四种基本上作用力中抗压强度最弱的力，对它进行长期精准的精确测量很困难。目前国际上的重力仪技术有冷原子量子科技重力仪、低温超导重力仪、MEMS重力仪、熔融石英扭簧重力仪等。但它们大部分都成本相对高、结构复杂、工艺复杂、系统软件飘移大，不益于长期规模性应用部署。从2018年迄今，黄璞研究组一直致力于力数据信号精密测量实验分析和技术探寻，培养了根据磁悬的弱力检测实验方案，近些年已经取得一系列试验科研成果，[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)]。
 图1:根据磁悬震子重力仪基本原理。
  该实验中，科研团队关键对地球固态潮汐力展开了试验观察，由于地球上固态潮汐力的主要幅度值仅有地球上重力加速g的千万分之三，并且其关键动能集中在了周期是24小时和12钟头这一低频率区段中，这也使得它是一个可用于认证重力仪研发成功和失败天然校正数据信号。对于地球上固态潮汐力数据信号准直流电特点，科研团队运用抗磁悬力学系统巧妙地构建了一个中小型低频率飘浮结构力学震子来尽量变大震子对潮汛信号的功率偏移回应。并且在试验系统软件中加入精确的温度控制系统和电磁屏蔽层来抑制外部环境温度噪音和磁噪音对震子位移的影响(图1)。该结构力学系统的核心是最常见的永磁材料和热解石墨，成本极低，在室温工作中。磁悬重力仪并没有冷原子量子科技重力仪那样体积庞大，免除了超导体重力仪所需要的低温保持机器设备，不需要MEMS系统及熔融石英弹簧系统错综复杂的制作工艺。更为关键的是，其重力测量的关键指标做到甚至超过世界各国前沿的重力仪。利用该重力仪检测的地球上固态潮汐力数据信号如下图2所显示。
  图2:潮汛测量值：(a) 从抗磁悬重力仪直接获得的观测数据，每一个蓝色小圆点意味着一个小时观测数据的均值。该仪器有些线形飘移速度达61 Gal/Day，达到国内外的领先水平。(b) 潮汛理论分析数据和实验结论的比较。底线为理论分析数据信息，蓝色点值测试数据，这两组数据信息间的相关系数r达到0.97。  这项研究是首次运用室内温度磁悬力学系统做为极高灵巧结构力学感应器去进行重力的长期精密测量，将来可以将该方法与NV淫念固体磁矩等量子系统融合，指标值还有望进一步提升。该试验系统软件将来具备处理芯片变的发展潜力，为磁悬重力仪的小型化和大量布署提供了一条构思，将来这一技术有希望在地球测绘工程，国防安全等重要领域充分发挥。
  相关研究成果以 Measurement of the earth tides with a diamagnetic-levitated micro-oscillator at room temperature 问题，于3月22日网上发布于《Physical Review Letters》，且被编写当选强烈推荐毕业论文(PRL Editors Suggestion)，该工作一起被美国物理学会《Physical Review Focus》杂志期刊以 Gravity Measurement based on a Levitating Magnet 问题进行了报道。南京大学物理学校博士生冷喜迎春、陈一鸣、王立华、杨旭，与中科大博士李睿为本文的共同第一作者，物理学院为本文第一单位，物理学院黄璞教授和浙大杜江峰教授为该论文共同通讯作者。这项研究获得了中国科学院、国家科技部、我国自然科学基金委等单位的支助，与此同时获得了固态薄膜光学物理学重点实验室与人工薄膜光学科学与技术协同创新中心的大力支持。