近日，物理学院饶金威教授和柏利慧教授在超高灵敏磁场探测领域取得重要进展。该团队首次将微分几何中尖点（Cusp Point, CP）的概念引入到磁子学领域，成功研制出了一种基于光磁同步模式（Photon–Magnon Synchronization Mode, PMSM）尖点的新型磁力计。该成果以“Ultrasensitive Magnetometer based on Cusp Points of the Photon-Magnon Synchronization Mode”为题，于2月10日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。该团队设计的磁力计，可在室温下工作，磁场响应率远超传统自旋共振磁力计，为发展高性能磁测量技术提供了全新的解决方案。

磁信号广泛存在于自然环境和人工系统中，发展磁场灵敏探测技术对于推动基础科学研究、资源勘探、国防安全及工业生产的发展具有重要意义。在生物医学领域，对极弱磁场的探测是揭示微观生命活动机制的重要手段。例如，在绘制脑磁图和心磁图时，需要检测由神经元或心肌细胞电活动产生、强度低至数百至数十飞特斯拉（fT）的磁场，从而实现无创的脑功能成像和心脏疾病早期诊断。在基础物理领域，磁场探测是搜索超越标准模型新物理（如轴子等暗物质候选粒子）的关键实验手段。此外，在凝聚态物理研究中，材料中的拓扑磁结构、自旋超流等新奇物态也需要通过其磁信号进行表征。

传统基于自旋共振的磁力计对磁场的响应率，受限于电子的固有磁旋比（约为28 GHz/T）难以提升。研究团队另辟蹊径，利用增益谐振腔中光子模式与钇铁石榴石中磁子模式之间的强耦合效应（如图1（a）），制备了一种兼具超窄共振线宽和高磁场响应率的光磁同步模式。该模式在特定参数组合下，会在参数空间中产生“尖点”这一特殊现象。理论上，光磁同步模式在尖点处的磁场响应率是无穷大（如图1（b））。此时，磁场的微小变化都会引起同步模式的显著频率偏移。 目前该磁力计的灵敏度已达到258 fT/√Hz，且辐射谱线宽可压缩至0.06 Hz，具备极其优异的磁场探测能力。

图 1 ：（a）增益腔光子与磁子耦合示意图。（b）尖点出现时，光磁同步模式频率随磁场的依赖关系。（c）实验装置示意图，蓝色框表示反馈式增益谐振腔，黄色框表示包含了钇铁石榴石（YIG）的磁场探头。（d）在尖点附近，光磁同步模式在不同磁场下的辐射谱。图中虚线表示的是理论计算结果，星号标示的是尖点的位置。（e）在尖点附近，光磁同步模式对弱磁场信号的响应。

此外，研究团队还利用增益谐振腔的倍频效应，实现了类似于频域“游标卡尺”的放大机制（如图2（a））。在这个过程中，基模的微小频移会被高阶振荡模式成倍放大（图2（a）中M1的频移，即紫色实线相对于虚线的差值，被六阶模放大了6倍），从而大幅提高探测器的磁场响应率。在我们的实验中，光磁同步模式基模的磁场响应率相比于自旋共振提升了37倍。通过利用第六阶振荡模式，探测器的磁场响应率被进一步放大至236倍电子旋磁比。这相当于同样的磁场变化，我们探测器的频率偏移是传统电子自旋共振的236倍（如图2（c））。

图 2：（a）频域游标卡尺效应示意图。（b）光磁同步模式基模与高阶模的辐射谱。（c）光磁同步模式基模与高阶模的频率偏移量（上图）和磁场响应率对比（下图）。

这项创新性研究验证了一种发展高性能磁力计的新原理，首次将‘尖点’概念引入磁子学研究，并展示了其在磁探测中的重要价值。相对于其他磁力计，我们的磁力计在室温下运行，无需低温或真空环境，结构简单、成本低、易集成，通过进一步抑制电路噪声、电磁干扰和机械振动，其灵敏度有望媲美当前最先进的磁力计，为科学研究和工业检测提供新一代高灵敏度磁探测工具。

这项研究成果由山东大学、上海科技大学和中国科学院上海技术物理研究所等单位共同完成。论文的第一作者是山东大学博士生米锌林，通讯作者是山东大学饶金威教授和柏利慧教授。姚碧霂研究员和颜世申教授分别对本项工作给予了重要的支持。该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，山东省自然科学基金，广东省基础与应用基础研究基金，山东省泰山青年学者项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/dkwj-jv6l