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 研发快讯】近日，南京大学物理学院黄璞研究团队与中科大、浙江大学团队合作，利用室温磁悬浮技术成功的对地球重力潮汐进行了观测，这是重力仪研究领域的一项新技术。
  重力测量从伽利略时代以来，就一直受到物理学家们的关注。它在基础物理研究和地球科学研究中都具有相当重要的地位。通过对重力的精确测量，可以检验广义相对论提出的弱等效原理、搜索宇宙中暗物质存在的证据；通过对地球上各地的重力分布测量，我们还可以知道地下矿产资源、水文信息和极地冰川等的分布情况。通过对火山周围岩浆流动的重力监测，科学家还可以对火山的爆发进行预测。
  重力是四种基本相互作用力中强度最弱的力，对它进行长时间精确的测量比较困难。目前国际上的重力仪技术有冷原子量子重力仪、低温超导重力仪、MEMS重力仪、熔融石英弹簧重力仪等。但是它们大多数都成本高、体积大、工艺复杂、系统漂移大，不利于长时间大规模应用部署。从2018年至今，黄璞课题组一直致力于力信号精密测量实验研究与技术探索，发展了基于磁悬浮的弱力探测实验方法，近年来已取得一系列实验研究成果，[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)]。
 图1:基于磁悬浮振子重力仪原理。
  该研究中，研究团队主要对地球固体潮汐力进行了实验观测，因为地球固体潮汐力的最大幅值只有地球重力加速度g的千万分之三，且其主要能量集中在了周期为24小时和12小时这一低频区间中，这使得它是一个可以用来验证重力仪研制成功与否的天然校准信号。针对地球固体潮汐力信号的准直流特性，研究团队利用抗磁悬浮力学系统巧妙的构建了一个小型低频悬浮力学振子来尽可能放大振子对潮汐信号的位移响应。并在实验系统中加入了精准的温控系统和磁屏蔽层来抑制外界温度噪声和磁噪声对振子位移的干扰(图1)。该力学系统的核心是常见的永磁体和热解石墨，成本极低，在室温工作。磁悬浮重力仪没有冷原子量子重力仪那么体积庞大，免去了超导重力仪所需的低温环境维持设备，也不需要MEMS系统和熔融石英弹簧系统的复杂加工工艺。更重要的是，其重力测量的关键指标达到甚至超过了国际上先进的重力仪。利用该重力仪测量的地球固体潮汐力信号如图2所示。
  图2:潮汐测量结果：(a) 从抗磁悬浮重力仪直接获得的测量数据，每一个蓝色的圆点代表一个小时测量数据的平均值。该仪器有的线性漂移速度为61 Gal/Day，达到了国际上的先进水平。(b) 潮汐理论计算数据与实验结果的对比。红线为理论计算数据，蓝色的点为实验数据，这两组数据之间的相关系数达到了0.97。  该研究是首次利用室温磁悬浮力学系统作为超高灵敏力学传感器来进行重力的长时间精密测量，未来通过将该技术与NV色心固态自旋等量子系统结合，指标还有望进一步提升。该实验系统未来具有芯片化的潜力，为磁悬浮重力仪的小型化和大规模部署提供了一条思路，未来这一技术有望在地球测绘，国防等重要领域发挥作用。
  相关研究成果以 Measurement of the earth tides with a diamagnetic-levitated micro-oscillator at room temperature 为题，于3月22日线上发表于《Physical Review Letters》，并被编辑选为推荐论文(PRL Editors Suggestion)，该工作同时被美国物理学会《Physical Review Focus》杂志以 Gravity Measurement based on a Levitating Magnet 为题进行了报道。南京大学物理学院博士研究生冷迎春、陈一鸣、王立华、王浩，与中科大博士李睿为该文的共同第一作者，物理学院为该文第一单位，物理学院黄璞教授和浙江大学杜江峰院士为该论文共同通讯作者。该研究得到了中科院、科技部、国家自然科学基金委等单位的资助，同时得到了固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持。