南京大學物理學院黃璞合作團隊在重力測量研究上取得進展

 

　　重力測量從伽利略時代以來，就一直受到物理學家們的關注。它在基礎物理研究和地球科學研究中都具有相當重要的地位。通過對重力的精確測量，可以檢驗廣義相對論提出的弱等效原理、搜索宇宙中暗物質存在的證據；通過對地球上各地的重力分布測量，我們還可以知道地下礦產資源、水文信息和極地冰川等的分布情況。通過對火山周圍巖漿流動的重力監測，科學家還可以對火山的爆發進行預測。
 

　　重力是四種基本相互作用力中強度最弱的力，對它進行長時間精確的測量比較困難。目前國際上的重力儀技術有冷原子量子重力儀、低溫超導重力儀、MEMS重力儀、熔融石英彈簧重力儀等。但是它們大多數都成本高、體積大、工藝復雜、系統漂移大，不利于長時間大規模應用部署。從2018年至今，黃璞課題組一直致力于力信號精密測量實驗研究與技術探索，發展了基于磁懸浮的弱力探測實驗方法，近年來已取得一系列實驗研究成果，[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，研究團隊主要對地球固體潮汐力進行了實驗觀測，因為地球固體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小時和12小時這一低頻區間中，這使得它是一個可以用來驗證重力儀研制成功與否的天然校準信號。針對地球固體潮汐力信號的準直流特性，研究團隊利用抗磁懸浮力學系統巧妙的構建了一個小型低頻懸浮力學振子來盡可能放大振子對潮汐信號的位移響應。并在實驗系統中加入了精準的溫控系統和磁屏蔽層來抑制外界溫度噪聲和磁噪聲對振子位移的干擾(圖1)。該力學系統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，免去了超導重力儀所需的低溫環境維持設備，也不需要MEMS系統和熔融石英彈簧系統的復雜加工工藝。更重要的是，其重力測量的關鍵指標達到甚至超過了國際上先進的重力儀。利用該重力儀測量的地球固體潮汐力信號如圖2所示。
 

 

　　圖2:潮汐測量結果：(a) 從抗磁懸浮重力儀直接獲得的測量數據，每一個藍色的圓點代表一個小時測量數據的平均值。該儀器有的線性漂移速度為61 μGal/Day，達到了國際上的先進水平。(b) 潮汐理論計算數據與實驗結果的對比。紅線為理論計算數據，藍色的點為實驗數據，這兩組數據之間的相關系數達到了0.97。
 

　　該研究是首次利用室溫磁懸浮力學系統作為超高靈敏力學傳感器來進行重力的長時間精密測量，未來通過將該技術與NV色心固態自旋等量子系統結合，指標還有望進一步提升。該實驗系統未來具有芯片化的潛力，為磁懸浮重力儀的小型化和大規模部署提供了一條思路，未來這一技術有望在地球測繪，國防等重要領域發揮作用。
 

　　相關研究成果以“Measurement of the earth tides with a diamagnetic-levitated micro-oscillator at room temperature”為題，于3月22日線上發表于《Physical Review Letters》，并被編輯選為推薦論文(PRL Editors’ Suggestion)，該工作同時被美國物理學會《Physical Review Focus》雜志以“Gravity Measurement Based on a Levitating Magnet”為題進行了報道。南京大學物理學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，物理學院為該文第一單位，物理學院黃璞教授和浙江大學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、國家自然科學基金委等單位的資助，同時得到了固體微結構物理國家重點實驗室和人工微結構科學與技術協同創新中心的支持。