超高灵敏极弱磁场与惯性测量科学装置与零磁科学展望综述

房建成，魏凯，江雷，向岷，陆吉玺

1. 北京航空航天大学 大科学装置研究院，北京 100191 2. 杭州极弱磁场重大科技基础设施研究院，杭州 310051 3. 中国科学院 理化技术研究所，北京 100080 4. 中国科学院大学 未来技术学院，北京 100049

随着国际单位制中7个基本计量单位的全部量子化，计量与测量技术已经进入量子精密测量的时代。基于量子能级、量子相干性或自旋纠缠效应进行精密测量，具有超越经典测量极限的超高灵敏度和精度的优势[1]，目前基于量子精密测量的各项应用正在走向实用化，有望在短期内产生广泛的社会和经济效益，因而成为量子信息技术领域的热点研究方向[2]。其中，基于原子自旋效应的量子精密磁场与惯性测量技术近年来发展迅速，伴随着测量灵敏度跨越式提升，超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置与仪器在生物磁信号测量、基础物理探索、国家战略安全、深空探测和零磁科学研究等领域，展现出广阔的应用前景[3-7]，如图1所示。

在生物磁信号测量方面，运用超高灵敏极弱磁场测量技术探测人体器官和组织产生的极弱磁场，有望解决疑难疾病诊断评估等重大难题。现有的医学成像手段分为结构成像和功能成像两大类。结构成像手段包括X射线、CT、B超、结构磁共振等，其目的是探测人体结构，目前发展已较为成熟，在器质性疾病的研究和诊疗方面做出了巨大贡献。传统探测人体功能的成像手段包括功能磁共振等，目前还难以完全满足医学研究和临床应用的广泛需求。利用极弱磁场成像测量技术，对人体极弱磁信号进行超高灵敏检测和成像，在灵敏度、分辨率、灵活性等方面显现出优势[8]，弥补现有人体功能成像方法的不足，可实现对人体功能信息全面深入的获取和分析，揭示心脑等重大疾病的极弱磁信号特征规律，发现特异性的生物标志物，助力疾病机理研究、早期诊断和预后评估，为人体功能信息学的发展提供新一代高性能技术手段，支撑高端医疗装备的发展，服务于医学基础研究和临床应用。

在前沿基础物理领域，标准模型近乎完美地描述了基本粒子的特性，是物理学领域最重要的成就之一，但是仍存在无法解释暗物质来源、无法兼容引力相互作用等核心问题[9]。这些超越标准模型的物理现象推动了超标准模型的建立，通过实验测量手段进行模型自洽性检验是验证新物理理论的有效途径。超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置在暗物质探测(轴子和类轴子)、CPT(Charge conjugation, Parity inversion, Time reversal)和洛伦兹(Lorentz)对称性破缺验证、第五种力测量等方面，取得了重要的研究进展，创造了多项指标纪录[10-13]。另外，固有电偶极矩测量(Electric Dipole Moment, EDM)可解释宇宙中物质与反物质存在差别的原因，为宇宙起源的研究提供支撑，基于超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置开展EDM测量是对传统研究方法的有效补充[14]。因而超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置为重大基础物理学命题的研究提供了一种有效的新途径，有望产生新的科学发现。

在国家战略安全方面，惯性导航是唯一不受外界干扰的全自主导航技术，安全性和可靠性高。国家战略安全领域对于高精度的惯性导航技术有着迫切需求，急需基于新机理的超高精度陀螺仪技术[15]。超高灵敏惯性测量装置支撑研制的原子陀螺仪理论零偏稳定性可达10-8(°)/h量级，已经成为下一代超高精度陀螺仪的重要发展方向之一[16-17]，因此研制超高精度原子陀螺仪，有望占据量子惯性导航的发展先机。另外，水下目标磁异常探测具有识别能力强、定位精度高等优点，已经成为一种探测水下航行器的有效方式[18]。国内外在磁异常探测中普遍采用光泵磁强计，目前高灵敏度光泵磁强计的灵敏度为亚pT/Hz1/2量级[19]，且国外产品对中国禁运。因此，超高灵敏度磁强计是“引不进、买不来”的核心关键部件，急需研究基于新机理的新一代更高灵敏度磁异常探测手段。基于原子自旋效应的超高灵敏极弱磁场测量装置的灵敏度已实现亚fT/Hz1/2量级[20]，有望为磁异常探测磁强计的研制提供一种变革性的新技术，支撑我国磁异常探测能力的提升。

在深空探测方面，磁场测量是研究宇宙形成机制、推演行星演化过程和分析星体内部结构等空间科学问题的重要手段。20世纪中叶以来，航天器开始搭载各类磁场传感器探索宇宙磁场分布，测量了月球、火星和太阳等星体的磁场，促进了许多重大空间科学的发现[21,22]。磁通门是最常用的深空磁场探测载荷，具有适应性强、可靠性高等特点，但其灵敏度和漂移等指标难以满足未来对深空极弱磁场探测的需求[23]。超高灵敏度极弱磁场测量装置是迄今灵敏度最高的磁场测量手段[24]，为探测深空极弱磁场提供了一种新手段，将为验证宇宙起源和演化等理论提供有力支撑。超高灵敏极弱磁场测量技术与深空磁场探测的交叉融合，有望推动天文学、天体物理学等领域新发现。

在零磁科学研究方面，地球上约50 μT的地磁场环境，为地球生命的起源和繁衍提供了根本保障，人类对磁场的研究由来已久。随着现代科学技术的发展，磁场与其他学科的交叉融合焕发出勃勃生机，但近零磁条件下极弱磁场精密调控的零磁科学基础研究依然处于空白状态。超高灵敏磁测量、高性能磁屏蔽和精密磁场操控等技术的迅猛发展，为零磁科学研究奠定了基础。依托超高灵敏极弱磁场与惯性测量科学装置，在极弱磁场环境、精密磁场操控和超高灵敏磁测量等方向深厚的技术基础和前瞻引领的研究规划，开展从“0”到“1”的零磁基础科学研究，聚焦“零磁”环境下的生物学、医学、化学和材料学等领域的前沿基础科学命题，有望发现新的实验现象、揭示新的作用机理、建立新的系统理论，发展新方法，开创零磁科学全新的研究方向。

本文针对继续冲击超高灵敏度测量纪录、打造国际领先极弱磁场环境、以及深化和拓展上述应用中的关键问题进行分析和探讨。首先，本文对超高灵敏极弱磁场与惯性测量科学装置和基础研究的工作原理、系统组成和设计分析方法进行介绍。然后，对原子磁强计和高性能零磁空间的关键技术进行分析，重点讨论限制性能指标进一步提升的关键问题。最后，基于超高灵敏极弱磁场与惯性测量科学装置，利用极弱磁场环境、超高灵敏磁测量和精密磁场操控方法，开展零磁医学、零磁生物学、零磁化学和零磁材料学的基础科学研究，展望建立零磁科学研究新方向。

1 超高灵敏极弱磁场与惯性测量及基础研究

1.1 超高灵敏极弱磁场测量装置

弱磁测量的发展历程如图2所示。在弱磁测量领域，常用的基于电磁感应定律的磁通门磁强计，灵敏度为0.1～1 nT/Hz1/2量级(1 nT=10-9T)；基于电子共振的光泵磁强计灵敏度可提高3个量级，达到0.1～1 pT/Hz1/2量级(1 pT=10-12T)；基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化的超导量子干涉仪灵敏度可以达到fT/Hz1/2量级(1 fT=10-15T)，灵敏度又提高了3个数量级，但需要液氦冷却，成本较高且不便移动。2002年普林斯顿大学物理系Romalis小组首次将无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free, SERF)效应应用于磁场测量[25]，于2003年在28～45 Hz频段内梯度差分模式下实现了0.54 fT/Hz1/2的灵敏度，超越超导量子干涉仪，首次进入亚fT/Hz1/2水平，创造了当时的磁测量世界纪录[26]；之后又在2010年将40 Hz频率处梯度差分模式下的灵敏度指标进一步提升至0.16 fT/Hz1/2[20]。利用该技术理论可实现aT/Hz1/2量级(1 aT=10-18T)的灵敏度。

基于SERF原子自旋的极弱磁场测量工作原理是利用磁屏蔽装置创造的近零磁环境大幅降低碱金属原子的拉莫尔进动频率，同时通过提高其原子密度增加自旋交换率，在自旋交换率远大于拉莫尔进动频率时，原子的自旋交换弛豫得到充分抑制，实现SERF状态，从而可以在极高的原子密度下实现较长的弛豫时间，提高极弱磁场的测量灵敏度。

基于SERF原子自旋的极弱磁场测量装置结构如图3所示，主要包括核心物理系统、光学系统、隔振台、电子测控系统等。其中，光学系统包括抽运光路和检测光路，抽运光路用于极化原子，检测光路用于检测原子自旋进动信号，隔振台用于隔离环境振动对测量的影响，电子测控系统则用于采集和控制系统的光电信号。核心物理系统主要包括多层坡莫合金磁屏蔽、低噪声铁氧体磁屏蔽、三维磁场线圈、真空腔、无磁电加热、碱金属气室等。装置的核心敏感元件是位于系统中心的原子气室，气室内部封装碱金属原子及缓冲和淬灭气体，用于敏感极微弱磁场的变化；无磁电加热模块用于对碱金属气室进行高温加热；多层坡莫合金磁屏蔽、低噪声铁氧体磁屏蔽、以及三维磁场线圈为原子提供一个极低剩磁和极低磁噪声的近零磁环境[27]。

处于SERF态下的原子自旋敏感磁场的基本过程为：当存在待测磁场时，原子自旋将在这一磁场的作用下发生拉莫尔进动，引起原子自旋方向的变化；通过检测激光可以实现对原子自旋进动的检测，并最终转化为电信号输出。装置输出信号的噪声谱通常用于表征磁场测量的灵敏度。但是，由于超高灵敏磁场测量装置的原子自旋测量灵敏度远优于所处磁屏蔽装置内的背景磁噪声，因此装置单一通道输出信号的噪声谱难以表征其自身真实的灵敏度水平。需要采用梯度差分测量的方式，将同一气室内相邻通道的信号相减，从而抑制磁屏蔽的共模磁场噪声，之后再进行噪声谱分析得到其梯度差分测量模式下的灵敏度，该指标反映的是装置自身真实的磁场测量灵敏度水平。

2019年北京航空航天大学(以下简称北航)研究团队研制的超高灵敏原子自旋磁场测量装置，在30～39 Hz频段范围内梯度差分模式下实现了优于0.1 fT/Hz1/2的灵敏度指标。同时北航研究团队于2021年获批了国家发改委重大科技基础设施的科研和建设任务，围绕高性能磁屏蔽空间和超高灵敏极弱磁场与惯性测量科学装置，开展基础科学探索和技术应用研究，服务国家“四个面向”的发展规划。在重大科技基础设施的支持下，将进一步开展更高灵敏度的极弱磁场测量装置的研制工作，计划2026年在20～100 Hz频段内梯度差分模式下实现最优灵敏度指标达到0.015 fT/Hz1/2，为前沿基础物理学、神经科学、生命科学以及零磁科学的研究提供平台，同时支撑高灵敏度原子磁强计的研制。实现该灵敏度具有很强的挑战性，其难点和关键技术主要包括：

1)如何为原子自旋提供极端的低磁噪声环境。解决这一难题需要研究高性能超低噪声的磁屏蔽与磁补偿技术，可能的技术途径包括新型低噪声磁屏蔽材料研制、超导线圈磁屏蔽技术、高均匀区磁场线圈及超精密电流源技术等。

2)如何抑制原子自旋进动信号检测噪声对测量灵敏度的影响。解决这一难题需要研究超低噪声的旋光角检测技术，可能的技术途径包括高性能激光器及其噪声抑制技术、高压缩度偏振压缩态光场检测技术等[28]。

3)如何研制支撑更高灵敏度极弱磁测量的碱金属原子气室。解决这一难题需要研究大尺寸抗弛豫碱金属气室技术，可能的技术途径包括原子源优化配比、大尺寸耐腐蚀的玻璃气室技术等。

1.2 超高灵敏原子自旋惯性测量装置

超高灵敏原子自旋惯性测量利用光抽运极化碱金属原子，然后利用碱金属原子和惰性气体原子之间的自旋交换碰撞超极化惰性气体核自旋，自旋极化的惰性气体原子敏感惯性转动信号而发生自旋进动，再利用碱金属原子测量惰性气体核自旋磁矩的进动信号，实现对惯性转动信号的测量。通过工作在SERF态，利用原子间快速自旋交换碰撞抑制在外磁场中的自旋退相干进动，能有效抑制自旋交换弛豫，因而具有超高的理论灵敏度潜力[26]。

装置主要包括核心物理系统、光学系统、隔振支撑系统以及电子测控系统，总体结构示意图如图4所示[29]。核心物理系统由原子气室、无磁电加热、磁场线圈、真空腔体和磁屏蔽桶等组成，原子气室参数决定了惯性测量的灵敏度潜力，磁屏蔽桶和磁场线圈为原子气室提供低噪声的弱磁场环境以及操控磁场。光学系统用于装置中核自旋-电子自旋耦合系综的操控以及原子自旋进动信号的精密探测。隔振支撑系统主要包括系统的机械支撑结构、被动隔振装置以及旋转转台。电子测控系统为一套数据采集处理系统，用于进行系统各种信号的采集、处理以及反馈。

这种效应使得基于原子自旋的超高灵敏惯性测量装置可以抑制低频磁场扰动，从而只敏感角速度和异常作用力[5]。

高效核自旋超极化和高均匀电子自旋极化是提升核自旋自补偿抑制磁噪声能力的关键[31]。为了抑制极化光场共振吸收导致的电子自旋极化梯度和核自旋超极化效率下降，该装置中采用混合自旋交换光抽运技术，能实现超极化率和自旋极化均匀性数量级的提升，该技术在基于惰性气体核自旋的中子极化和肺部成像等研究中也有广泛应用。通常采用主方程[32]和Bloch方程组[33-34]描述超高灵敏惯性测量中碱金属电子自旋和惰性气体核自旋的耦合动力学特性。超高灵敏惯性测量装置的灵敏度由信号的噪声谱表征，为提升测量灵敏度，需要对噪声信号进行系统建模分析，并采取针对性方法进行噪声抑制。

北航研究团队在1 Hz的低频段已经实现了1.8×10-6(°) s-1·Hz-1/2的惯性测量灵敏度指标，和普林斯顿大学研究团队在南极实现的同频段灵敏度相当[35-36]。目前北航研究团队的超高灵敏原子自旋惯性测量装置已应用于第五种力测量和暗物质的探索，将第五种力的相关参量指标纪录提升了数个量级[13]。同时普林斯顿大学研究团队的Brown等也利用超高灵敏原子自旋惯性测量装置，将CPT对称性破缺异常场与中子相互作用参量的测量指标纪录提高到10-33GeV量级[10]；Smiciklas等将中子相关的Lorentz对称性破缺参量的指标提升了2～4个量级[35]；Lee等[11]、Almasi等[6]将第五种力的相关参量指标纪录提升了数个量级。

未来在国家重大科技基础设施支持下，北航研究团队计划2026年在1～100 Hz频段内实现最优测量灵敏度达到2×10-8(°) s-1·Hz-1/2，有望实现暗物质探测、第五种力测量、CPT和Lorentz对称性破缺验证等前沿基础物理探索纪录指标数量级的提升，将为前沿科学探索提供新的可能。实现这一指标，主要面临如下难点：

1)如何实现磁噪声和振动噪声等多源低频噪声的高效抑制。解决该难点的可能技术包括新型低噪声铁氧体和非晶合金等磁屏蔽材料研发、高温超导磁屏蔽研制、核自旋自补偿、主被动组合隔振技术等。

2)如何突破光子散粒噪声限制实现超高灵敏原子自旋进动检测。解决该难点的可能技术包括高稳定低噪声激光光源控制、偏振压缩态光场检测技术、原子自旋系综精密操控技术等。

3)如何制备高效超极化的混合原子气室。解决该难点的可能技术包括低应力残留、高透光性、大尺寸耐腐蚀玻璃气室制备，混合原子源精密充制与检测，混合光抽运和脉冲光抽运，低噪声无磁加热等。

基于超高灵敏原子自旋惯性测量装置，同步开展集成化的SERF原子陀螺仪研制，其理论精度可达10-8(°)/h量级[37]。普林斯顿大学Romalis小组于2005年实现了0.04 (°)/h的零偏稳定性[7]。2018年，美国Twinleaf公司研制了SERF原子陀螺仪原理验证装置，实现了优于0.01 (°)/h的零偏稳定性[38]。另外，法国航空航天实验室(ONERA The French Aerospace Lab)于2013年开始发展基于Rb-129Xe的SERF原子陀螺仪研究[39]。另外，航天13所也开展了SERF原子陀螺仪技术的研究工作[40]。

北航研究团队于2011年在国内首次实现陀螺效应，并达到147.9 (°)/h的零偏稳定性；2015年成功研制了国内首台SERF原子陀螺仪原理样机，并实现了地球自转角速率标定[17]，原理样机如图5所示；2020年，原理样机的零偏稳定性进入10-3(°)/h量级[41]。在国家重大科技基础设施支持下，北航研究团队计划深入开展提升零偏稳定性的机理方法研究，服务于新一代惯导系统。

1.3 超高灵敏神经科学与生命科学研究装置

神经科学与生命科学研究对探索生命奥秘、攻克人类神经系统疾病等重大疾病具有重要意义。医学成像测量技术为神经科学与生命科学研究提供了必要的检测工具和手段，主要包括核磁共振、电子计算机断层扫描、电生理测量、磁生理测量等。其中，基于血氧饱和度的功能性磁共振成像仅能达到秒级时间分辨率，并且无法直接反应脑活动的总体激活情况；非侵入式生物电测量技术难以构建精确的容积电流传导模型，空间分辨率较低。传统的生物磁测量技术无法满足神经科学和生命科学研究的需求，例如，基于超导量子干涉仪的磁测量设备系统复杂，维护成本高，需要被试位置固定，信噪比和空间分辨率有限。由于目前神经科学与生命科学研究缺乏有力的测量工具和仪器，迫切需要超高灵敏极弱磁场测量新手段。而利用安装在近零磁空间中的超高灵敏SERF原子磁强计可直接测量出神经发出的极弱磁信号，是一种变革性的新型被动无损的精准测量手段，有望成为未来神经科学与生命科学研究重要的仪器和工具。

超高灵敏神经科学与生命科学研究装置包含以下关键部件：磁屏蔽系统、阵列式原子磁强计、神经磁场诱发刺激系统、神经磁场和功能信息采集和处理系统、神经磁场和功能信息分析系统，装置示意如图6所示。

1)磁屏蔽系统：采用被动磁屏蔽和主动磁补偿的方法实现超高性能的磁场屏蔽，满足极弱磁测量对极低剩磁和磁噪声的要求，为神经信号测量和人体功能信息获取提供稳定的近零磁测量环境。

2)阵列式原子磁强计：是神经科学与生命科学研究装置的核心组成部分，具备fT量级的磁场测量灵敏度，通过搭建可穿戴式的人体神经磁场和功能信息测量装置，覆盖人体神经系统和大脑功能分区，实现对神经信号的精准检测以及对神经系统功能的高清成像，满足生命科学研究对神经功能信息高精度获取的全方位要求。

3)神经磁场诱发刺激系统：结合神经磁信号采集的环境要求，建立系统高效的诱发刺激系统。根据神经科学与生命科学研究要求，设计神经信号测量实验范式，向被试者施加视觉、听觉、体感等刺激信号，以诱发人体神经磁场，同时向数据采集处理系统传输触发信号，以进行信号同步。

4)神经磁场和功能信息采集和处理系统：对人体神经系统磁信号进行采集、处理、正向模型建立、逆问题求解等，获取传感器层级磁场信息和源层级磁场信息，对神经活动进行毫秒级时间分辨率、毫米级空间分辨率的准确探测和定位。

5)神经磁场和功能信息分析系统：利用高精度源定位获得的神经源活动信息及传感器层级的事件相关信息，根据神经区域活跃程度和不同神经区域的响应时间，基于信息理论，对神经活动进行分析和可视化处理，探索结构-功能耦合机制，揭示网络连接与神经功能间的相关性。

近年来，国际上相关研究团队利用超高灵敏原子磁强计开展了神经信号测量研究[3]。北航研究团队研制的微小型原子磁强计，计划于2026年在20～100 Hz频段内梯度差分模式下实现优于0.1 fT/Hz1/2的灵敏度指标，实现对神经活动的超高灵敏探测，为高级认知功能以及神经信号产生、处理和传导机理的研究提供更方便、更高灵敏度的技术手段，对于准确理解人体的正常功能机制和神经精神疾病的发生发展过程、解决当前神经科学难题具有重要意义，有望实现神经科学机理研究的重大突破，为揭示神经科学与生命科学本质规律，开辟新的研究途径。

2 原子磁强计与零磁空间

2.1 高灵敏度原子磁强计

高灵敏度磁强计在弱磁计量测试、深空磁探测、磁异常探测等诸多领域都有着广泛应用。目前低磁噪声磁屏蔽舱在医学、生物学等领域研究中的应用越发广泛，但是现有的弱磁计量测试装置灵敏度有限，难以精确测量出磁屏蔽系统的噪声水平。另外，我国现有深空磁探测载荷主要是磁通门磁强计，灵敏度为0.1～1 nT/Hz1/2量级，并且在零偏、漂移和温度稳定性等方面存在不足。在磁异常探测方面，目前广泛应用的是光泵磁强计，灵敏度为0.1～1 pT/Hz1/2量级，未来需要进一步提升灵敏度。SERF原子磁强计具有极高的理论灵敏度，有望为以上领域提供一种变革性的新技术。

SERF原子磁强计是在基于SERF原子自旋的超高灵敏磁场测量装置基础上研制的小型化、便携式的高灵敏度磁场测量仪器。其原理与磁场测量装置基本相同。其结构如图7所示，主要包括小型碱金属气室、集成化无磁电加热、小型磁补偿线圈、光学组件、窄线宽半导体激光器、电子测控系统等。其中，小型碱金属气室作为磁强计核心敏感元件，用于敏感磁场变化；集成化无磁电加热用于对碱金属气室加热；小型磁补偿线圈用于主动磁补偿，为原子提供低磁场环境；原子磁强计主结构用于安装光学元件及气室；窄线宽半导体激光器用于抽运和检测原子自旋；电子测控系统用于磁强计输出信号的采集和处理。

北航研究团队在超高灵敏磁场测量装置基础上，2014年起先后开展了两代高灵敏度小型化原子磁强计研制，2021年研制出的第二代原子磁强计在20～100 Hz频率范围内实现了2 fT/Hz1/2的灵敏度[42]，优于国外公开报道的小型化原子磁强计灵敏度最好水平。基于现有基础，计划进一步提升性能指标，应用于弱磁噪声的计量测试领域，相关技术支撑深空探测和磁异常探测磁强计的研制。

2.2 微小型原子磁强计

随着量子传感技术的发展，基于磁、光与原子相互作用的原子磁强计为非侵入式功能性神经影像学提供了变革性的测量手段。基于SERF效应的微小型原子磁强计作为核心传感器，在面向人民生命健康的极弱磁成像领域和面向世界科技前沿的神经科学与生命科学探索领域发挥着重要作用。

一类典型的微小型原子磁强计的结构如图8所示，主要包括原子磁强计探头、电子测控系统、光源3部分。探头部分主要包括微小型原子气室、加热膜、磁场线圈、光电探测器、光学元件以及主体支撑结构等。其中，原子气室是磁强计的敏感元件；无磁加热膜用于提供高温环境；微小型三维磁补偿线圈用于补偿环境磁场并提供调制磁场用于操控原子系综。电子测控系统主要用于微小型磁强计表头与信号处理系统的交互。光源以半导体激光器作为种子光源，经过光纤分束后通过保偏光纤耦合至原子磁强计表头，用于极化和检测碱金属原子自旋。

自2009年以来，美国普林斯顿大学、威斯康辛大学麦迪逊分校、桑迪亚实验室、美国国家标准与技术研究院等多个单位开展了微小型原子磁强计的研制[43-46]。2016年，美国QuSpin公司在国际上率先研制出商用微小型原子磁强计产品，目前的第三代产品已实现探头体积5 cm3，灵敏度优于15 fT/Hz1/2的指标，其探头采用内置垂直腔面发射激光器的方案，并可实现双轴或三轴测量的功能[47]。此外，近几年美国Twinleaf、FieldLine等公司也研发出了微小型原子磁强计产品。

国内北航研究团队在超高灵敏磁场测量装置基础上，2017年起开展了微小型原子磁强计研制，2022年研制出的第二代微小型双光束SERF原子磁强计，在20～100 Hz频率范围内实现了5 fT/Hz1/2灵敏度指标，探头体积15 cm3，灵敏度优于美国QuSpin公司的商用SERF原子磁强计。基于现有基础，计划2026年研制出新一代阵列式微小型原子磁强计，探头体积小于5 cm3，阵列探头数256个，并进一步提升灵敏度。

此外，国内浙江工业大学、北京大学、北京自动化控制设备研究所、中国科学院物理研究所、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所等单位也开展了微小型原子磁强计的研制，并进行了极弱脑磁、心磁测量等方面的应用研究。2022年，浙江工业大学研制出探头体积2×2.6×13 cm3、灵敏度35 fT/Hz1/2的微小型原子磁强计[48]。北京大学和北京自动化控制设备研究院合作研制出探头体积1.6×1.9×6.6 cm3，灵敏度15 fT/Hz1/2的微小型原子磁强计[49]。近年来国内外微小型原子磁强计的发展将有力支撑极弱脑磁和心磁高分辨率成像医疗装备的研制，助力攻克重大心脑疾病诊疗问题。

2.3 阵列式微小型原子磁强计的医学应用

老龄化将是今后较长一段时期中国的基本国情，2035年前后中国将进入重度老龄化社会阶段[50]，预计2050年中国老龄化将达到峰值[51]。随着老龄化程度的加深，帕金森病、阿尔茨海默病、心血管病、老年心衰等重大疑难心脑疾病带来的社会问题日益显著，严重影响老年人生活质量，直接威胁人民生命健康。重大疑难疾病的攻克离不开先进的医学成像技术。功能成像手段包括功能磁共振、PET等，目的是探测人体器官功能信息，目前还难以满足医学研究和临床应用的广泛需求。

作为新一代功能信息成像技术，基于阵列式微小型原子磁强计的极弱磁医学成像测量技术无需对人体外加磁场，而是检测人体在自然状态下产生的极弱磁场，具有完全被动、无接触、对人体无损的特点，具有较高的灵敏度、分辨率和灵活性，可以实时高精度地监测大脑、心脏及其他器官的功能活动并进行成像，全面获取人体功能信息，为人体功能信息学的发展提供新型高性能技术手段。未来还可做成穿戴式设备，用于长期健康监测，在疾病研究和临床诊断方面具有广泛的应用前景。

自2018年开始，北航研究团队开展阵列式芯片化原子磁强计的医学应用研究，研制成功32通道极弱脑磁成像装置和36通道极弱心磁成像装置，如图9所示。北航研究团队已与山东大学齐鲁医院、浙江大学医学院附属第二医院等国内一流医院合作开展极弱脑磁心磁临床实验研究。

极弱脑磁成像装置实现了听觉、视觉、体感等多种刺激诱发下的脑功能检测[52-53]，可用于癫痫、帕金森病等重大疑难脑疾病研究，如图10所示。极弱心磁成像装置实现了心脏功能检测[54]，可用于心肌缺血、心律失常等心脏疾病研究，如图11所示。

2.4 高性能零磁空间

近几十年来，部分原子自旋传感器已经突破原有的测量纪录，在生物磁测量和基础物理学研究等领域取得广泛应用，进一步的深化应用对传感器的磁屏蔽性能提出了严苛的要求。磁屏蔽技术主要基于坡莫合金、硅钢片、锰锌铁氧体和铁基非晶等高磁导率软磁材料，利用磁路分流原理，实现对直流及低频磁场屏蔽；基于铜、铝等高电导率材料的涡流效应，实现对高频磁场屏蔽。

磁屏蔽系数是表征磁屏蔽性能的重要指标，直接反映了磁屏蔽舱对环境磁场的屏蔽效果。磁屏蔽系数可以通过磁屏蔽层的磁标势和连续性方程进行求解，对于常见的单层球形磁屏蔽装置和立方体式磁屏蔽装置，已经建立了成熟的解析模型。以磁屏蔽桶为代表的磁屏蔽设备可以为实验仪器提供基本的测试磁环境保障，但空间狭小；而磁屏蔽舱为代表的磁屏蔽设备可以提供较大空间的极弱磁测试环境，可以满足医学应用、活体生物长期测试以及基础物理研究等多种需求。

国外磁屏蔽舱的研究较早，1962年美国德克萨斯州Socony Mobil Oil公司的Patton和Fitch设计建造了磁屏蔽舱，应用于地球物理研究。1967年，美国芝加哥伊利诺大学的Cohen建立了一个屏蔽系数为400的磁屏蔽舱，并首次在屏蔽地磁场与外界干扰磁场后测量得到心磁图[55]。1970年，德国VAC公司开展磁屏蔽舱技术的研究，并在1980年联合德国联邦物理技术研究院(PTB)建立了BMSR-1重型磁屏蔽舱[56]，由1层铝层和6层坡莫合金构成，在0.1 Hz处屏蔽系数可以达到104。随后在2000年，又建造了BMSR-2重型磁屏蔽舱，由1层铝层和7层坡莫合金构成，在0.01 Hz处被动屏蔽因子可达到75 000，在主动磁补偿线圈下屏蔽因子可达到106，内部1 m3空间剩磁小于1 nT，在很长一段时间内保持指标性能的持续领先[57]。2011年，美国橡树岭国家实验室(ORNL)设计建造了目前世界上体积最大的磁屏蔽舱[58]，目标是满足散裂中子源的中子自旋回波光谱仪的需求。2014年，德国慕尼黑工业大学(TUM)与多家单位联合建设了用于微观粒子固有电偶极矩测量的磁屏蔽舱，剩磁降低至0.3 nT以下，在0.001 Hz处屏蔽因子达到106[59]。

中国磁屏蔽舱研究起步稍晚，1988年中国地震局地球物理所与钢铁研究总院联合设计建造类球形磁屏蔽舱，内部剩磁低于20 nT，磁噪声低于20 fT/Hz1/2，主要用于岩石磁性、生物磁图的测量以及高精度磁强计的标定等[60]。2017年，北航研究团队开展心脑磁测量和基础科学研究，需要低剩磁与磁噪声的磁场环境，因而开始了磁屏蔽舱的研究工作，基于硅钢片设计搭建了第一代磁屏蔽舱，内部剩磁约300 nT。如图12所示，2020年北航研究团队利用坡莫合金材料搭建了第二代新型高性能磁屏蔽舱，由3层坡莫合金和1层铝构成，并在舱体外部配备三轴方形地磁补偿线圈。该屏蔽舱内部中心1 m3区域内剩磁低于10 nT，磁噪声低于15 fT/Hz1/2。2022年，北航研究团队基于坡莫合金材料开展了第三代磁屏蔽舱的研究，整体结构根据不同功能采用模块化的设计方案，保证高屏蔽性能的同时，极大地降低了建造成本，主要结构包括磁屏蔽模块、电磁屏蔽模块、主框架模块、消磁模块和屏蔽房模块等。其中磁屏蔽模块采用3层坡莫合金层，电磁屏蔽模块采用1层铝板。磁屏蔽舱内部中心1 m3区域剩磁低于1 nT，在30～100 Hz频段内磁噪声低于5 fT/Hz1/2。国内哈尔滨工业大学、中国船舶重工集团第710研究所和钢铁研究总院等单位也开展了相应研究，取得了显著的研究成果。

2021年，北航研究团队牵头获批国家重大科技基础设施的科研与建设任务。如图13所示，本设施拟建成空间最大、性能最高的大型零磁空间和磁屏蔽舱，提供极端弱磁场环境并建设高性能科学装置与仪器，为科研人员提供极限测量手段，服务于前沿科学探索、国家重大战略需求、生命科学及医学研究等领域。

如图14所示，本设施将构建开放共享的研发、测试、应用和技术成果转化的重大科技基础综合体系，具体工程目标和指标如下：

1)建设国际上空间最大、剩磁最小的零磁空间，实现环境磁场的有效屏蔽，其中核心区面积约200 m2，体积约1 000 m3，剩磁指标优于1 nT。

2)在零磁空间内建设国际上性能最高的极端探索舱(磁噪声fT/Hz1/2量级)，具备为各类基础研究和应用测试提供极端零磁环境的能力。

3)在磁屏蔽舱内建设指标持续领先的极弱磁场与惯性测量极限灵敏度探索装置，同时开展各类神经科学脑科学等基础科学研究。

3 零磁科学展望

基于“零磁”极端环境条件，依托超高灵敏磁场测量极限表征手段，利用超高精度弱磁精密调控方法，开展零磁医学、零磁生物学、零磁化学和零磁材料学等领域基础科学研究，有望产生一系列从“0”到“1”的原创性科学新发现，揭示物质世界的新机理和新规律，进而催生出颠覆性新技术和新方法，服务生产生活。

3.1 零磁医学

零磁医学研究，即在“零磁”极端环境条件下开展医学研究，是人体功能信息检测与调控的重大技术创新。围绕基础、临床、干预等多个方面，开展零磁医学研究，有望产生原创性成果，具有影响医学未来发展方向的潜力。

在基础研究方面，可以研究零磁环境下细胞、组织、器官、系统等的机能变化。借助超高灵敏极弱磁场测量等多种技术手段，在多个维度开展全面的基础研究，探究零磁环境对人类全生命周期的影响，获取神经功能网络的基础信息，探索生命活动中磁现象的本质以及磁场对生物体作用的内在机理，助力解决生命科学重大难题。

在临床研究方面，开展零磁环境下人体极弱磁场成像研究，实现对人体功能信息的成像检测，为心、脑、肿瘤等功能性疾病的诊断和治疗提供参考。构建人体磁图功能信息库，开展磁图与多模态医学影像比较分析与融合研究，揭示人类疾病的极弱磁信号特征规律，提供定量的功能信息指标，发现特异性的影像标记物，全面参与疾病的预防、诊断、治疗、评估全流程，建立人体功能信息学。

基于以上基础和临床研究，开展零磁环境下人体极弱磁场干预研究，探究零磁环境下主动施加极弱磁场干预对人体功能的影响，形成相应的极弱磁场精准调控方法，结合极弱磁场成像引导技术，实现对人体功能的精准调节以及对疾病的无创治疗。

3.1.1 神经细胞工作机理和脑科学

大脑中共有约800亿个神经细胞，神经细胞之间通过电信号传递信息，并伴生磁场[61]。长久以来，神经细胞都工作在地磁环境下，受到地磁场环境的影响。当环境磁场改变后，神经细胞的电生理活动如何改变以及相关机制的研究尚不成熟。通过地磁环境和近零磁环境的对照研究，认识磁场对人类和动物在行为[62-63]、神经传导[64-65]等方面的影响，进而探索神经细胞工作机理，有望打开人类认识大脑的窗户，有利于进一步“认识脑”“发展脑”“保护脑”。

目前近零磁环境下神经细胞工作机理和脑科学研究还远远不足，一个重要原因是缺少有效的极弱神经信号测量手段。而基于SERF原子磁强计的极弱磁场测量技术依靠其高灵敏度、高时空分辨率、无接触、配置灵活等优势，成为神经信号测量的利器。通过发展可穿戴的极弱脑磁测量技术(如图15所示)，可以探索高级认知活动的各个时间进程，发掘各脑区协同作用机制[66]，为研究大脑发育与功能发展、人在多种状态下的认知活动提供了可能[3,67]。在基础神经科学方面，将脑磁测量技术与光遗传学、细胞电生理等技术结合，探究近零磁环境下皮层-皮层、皮层-皮层下、丘脑皮层环路的作用机制，揭示脑的工作机理，促进对大脑在振荡、网络和网络关系方面的功能组织方式的理解。在认知神经科学方面，在近零磁环境下对神经信号进行长时间探测，探究认知活动的机理，增进对感知、注意力、记忆、语言和执行控制等认知过程的基本理解。在临床神经科学方面，探索近零磁环境下与帕金森病、阿尔茨海默病、自闭症谱系障碍、精神分裂症、多动症、癫痫和外伤性脑损伤等疾病相关的脑功能特征，揭示近零磁环境对大脑功能区的影响，为疑难脑疾病研究和临床诊疗提供新思路。

3.1.2 基于磁信号表征的心脏功能

重大心脏疾病直接威胁人类生命，严重影响人类健康安全，全球已有四分之一的人口罹患心血管疾病或者动脉硬化相关性疾病，中国心血管病患病率仍处于上升阶段，《中国心血管健康与疾病报告2020》显示，中国心脑血管疾病患病人数约3.3亿。心血管病导致的死亡占居民疾病死亡的40%以上，居各类疾病首位[68]。在心血管突发事件中，早期发现与早期识别非常重要，目前临床上常用的心脏功能测量装置主要为心电图仪。与心电测量相比，心磁测量受组织传导影响小，灵敏度和分辨率高，蕴含的信息丰富，且无需与人体接触，是一种超高灵敏心脏功能检测技术，测量装置如图16所示。基于磁信号表征的心脏功能研究可广泛应用于冠状动脉疾病、心律失常疾病、心肌性异常疾病和胎儿先天性心脏病的早期筛查和病灶定位[69-71]。

超高灵敏极弱磁场测量技术和精密磁场操控技术的发展，对于揭示复杂心脏疾病发生机理以及心脏疾病无创诊疗具有重大意义。有创的冠状动脉血管造影是目前冠状动脉疾病诊断的金标准，但高剂量的辐射和并发症带来风险。而冠状动脉大分支和微循环灌注异常导致的心肌细胞缺血或梗死会导致细胞形态和功能发生异常，缺血区细胞组织电导率相应改变，影响磁性信号的改变，使磁信号的特征值发生变化，为心磁检测提供了基本前提；在功能学方面，缺血导致的电生理变化将直接反映在磁性信号的改变，心磁信号可以反应相关异常。因此，在进行有创冠脉造影之前，可以运用极弱心磁测量技术快速、准确、安全、耐受地评估冠脉功能损伤程度。此外，可针对长时间的近零磁环境对心肌细胞收缩及舒张功能等心脏功能的影响开展研究，探明心脏疾病发病机理，探究磁场干预对心脏疾病的治疗作用，形成基于精密磁场操控的心脏疾病治疗新方法。

3.1.3 基于磁信号表征的肿瘤研究

肿瘤等病症的早期诊断一直是国际医学界公认的难题之一。临床症状检查、影像学检查、血清标记物、组织病理学和细胞学诊断等目前常用诊断方法对肿瘤细胞的敏感度较低，导致大部分肿瘤患者被发现时已进入晚期，失去了手术根治的机会[72]。离子通道和转运体激活与癌症有关[73]，例如，钾通道的过度表达与许多癌细胞系密切相关[74]，转移癌细胞通常比正常细胞的去极化程度更高[75]。离子通道的改变会影响离子流动，进而造成磁场变化。肿瘤的发生发展经过轻中重度不典型增生、原位癌、浸润癌等多个阶段，伴随着细胞磁场的变化。因此，可以利用肿瘤细胞和正常组织细胞周围的磁场差异，基于超高灵敏极弱磁场测量技术进行肿瘤无创检测，这对于肿瘤早期诊断和治疗具有重要临床应用意义。

基于磁信号表征的肿瘤研究，首先可以在细胞和组织层面上开展，检测和分析正常细胞和组织与肿瘤细胞和组织之间磁信号的差别；进而可以开展肿瘤病理生理学跟踪研究，即测定不同阶段、不同病理类型的肿瘤细胞和组织的磁信号，探究磁信号规律和机理。如图17所示是肿瘤细胞极弱磁测量研究装置，可用于各类正常细胞及肿瘤细胞的极弱磁场的测量。在临床研究方面，通过收集患者的肿瘤影像学信息、肿瘤标志物信息等临床数据，结合肿瘤组织磁信号变化，利用统计学方法分析患者临床数据与磁信号变化之间的相关性，实现基于磁信号检测的肿瘤诊断，并评估其灵敏度和特异性。还可将极弱磁测量手段与现有的生物标记物方法结合[76-77]，提升传统检测方法的性能。在此基础上，研制肿瘤极弱磁检测医疗装备，实现基于极弱磁测量与成像的肿瘤在体诊断和定位，具有精准检测和对人体无损的巨大优势，有望成为肿瘤早期诊断、良性与恶性肿瘤区分、肿瘤临床分期、检测治疗反应、检测复发等的重要手段。还可以利用精密磁场操控技术，研究磁场干预对肿瘤的影响，如利用头戴式振荡磁场发射装置，对脑胶质瘤患者进行磁刺激干预治疗[78]。

3.1.4 基于磁信号表征的人体经络穴位信息

中医药为中华民族的繁衍昌盛做出了不可磨灭的贡献，但由于技术条件的限制，中医药治疗标准规范不一，临床诊断和治疗价值难以量化，机理解释不足，在一定程度上限制了其发展。经络穴位是中医的重要组成部分，中医理论认为经络穴位处存在特殊的磁场，但因缺乏客观的可视化证据，其作用机制尚不明确，未被完全科学地解释，治疗效果难以量化评估。极弱磁场测量技术具有高灵敏度、高时空分辨率、无创安全等优势，可用于检测穴位、经络等的极弱功能信号。国内外利用基于超导量子干涉仪的磁测量技术进行了经络穴位功能信息研究。例如，有研究证明了针刺右侧足三里穴产生的感传过程，在胃经伏兔穴和脑中穴记录到脑磁信号和穴磁信号振荡呈有序变化[79]。此外，许多学者开展了针刺诱发的脑磁信号溯源[80]、时域特征[81]、频域特征[82]、功能连通性[83]的研究。但目前近零磁环境下经络穴位疗效和作用机理的系统定量研究仍是空白。

利用极弱磁场测量技术对经络穴位刺激诱发的人体极弱磁信号的检测能力，开展中医穴位、经络机理和中医生理及干预效应测量与评估方法研究，可为中医临床辅助诊断和治疗提供客观评价方法技术和工具，为中医药关键技术装备研制提供理论和技术基础，支撑中医与现代科技深度融合形成“理论-系统建模-技术工具-应用”的发展闭环。针对中医现代化发展中对临床诊疗的机理及定量评价方法的研究需求，可开展基于极弱磁信号量化表征的中医经络穴位机理和干预效应研究、中医生理效应研究、疾病的中医经络病机效应研究、针灸经络穴位中药干预等作用效应研究、中西医融合评价研究。通过建立极弱磁中医经络穴位健康研究平台，形成中医生理、病机和干预作用效应的极弱磁检测基本规范。突破经络穴位检测关键技术，研制基于超高灵敏极弱磁场测量的穴位针刺、经络针刺研究装备，建立大型经络穴位磁信息数据库，结合大数据分析手段，进行经络穴位机理研究、整体认知、干预归经等生理及干预效应检测与评估，为中医经络穴位诊疗提供客观定量评价依据和理论技术基础，推动中医药的现代化。

3.1.5 磁刺激干预的机理分析和定量研究

磁刺激干预是利用人造磁场施加于人体从而达到治疗和保健目的的一种方法。该方法操作简单、无创无痛，是一种有应用前景的非药物治疗和保健方法，对高血压、关节炎、头痛、失眠、冠心病、胃肠炎、面肌痉挛、扭挫伤、颈椎病、抑郁症等均有效果[84]，近年来也应用在肿瘤的治疗中[85]。但目前磁刺激干预基础研究薄弱，无严格的临床使用规范，量效关系和安全性尚未得到系统的研究，影响了对其作用效果的量化和评估[86-87]。

传统的磁刺激干预均为在地磁环境下实施，施加的磁场为显著强于地磁场的mT量级。而在近零磁环境下，由于消除了地磁场对磁刺激效应的影响，有望精确评估和提升磁刺激干预作用，以及利用精密磁操控技术实现对人体极弱磁场的精准干预，可能成为人体功能调控的有效手段。针对基础研究薄弱的问题，利用极弱磁场测量技术，精确测定正常和异常情况下的人体磁信号，以测定的信号差异程度为基础，结合磁信号调制技术和医学临床知识实现定量的人造磁场强度预判，以科学测量手段为依托，研究安全有效的磁刺激干预技术。针对不同疾病不同部位的磁信号特点，结合临床经验，设计针对不同疾病施加磁刺激干预的医学技术和临床方案，构建近零磁环境下磁刺激干预理论。

3.2 零磁生物学

在国家重大科技基础设施的支持下，将构建大型“零磁”空间和极限弱磁测量手段，为开展生物学领域长期全面的实验与观测提供优越的条件保障，实现对近零磁环境下细胞、系统、个体等不同层级重要生命活动变化过程的持续监测，揭示背后的变化机理，建立零磁生物学的基础理论。

3.2.1 细胞表面离子通道物质输运

作为生物体基本的结构和功能单位，细胞构成了细菌、植物、动物等多种生命形式。细胞膜上的离子通道具有选择性，承担着物质转移、能量转换和信号传输等重要作用，这些信号传递高度依赖于生物离子通道的高速离子传输[88]。生物离子通道这种小尺寸、独特的结构和表面电荷分布等，导致离子和分子的定向有序集团运动，实现超低阻抗输运(如图18所示)，这就是量子限域超流现象。将量子限域超流概念引入生物学，有望使其在单分子生物传感等领域得到应用[89]。

量子限域超流体这一创新性概念有望为神经科学和脑科学中神经信号传输等问题的研究提供新的思路，可以解释离子和分子在离子通道中的量子化的快速传输状态，但是目前尚缺乏对这一理论有效的测量手段。超高灵敏极弱磁场测量技术能够对离子流动引起的磁信号进行精密测量，通过细胞磁场测量等原创性研究，对量子限域超流进行探测，深入研究其机理。利用精密磁场操控技术，可以对外界磁场对离子量子限域超流的影响开展深入研究。以上技术将为细胞表面离子通道物质输运工作机制的研究开辟崭新途径。

3.2.2 磁场对植物生长育种的影响

阳光、空气、水和磁场等是植物发育的关键要素，在植物进化过程中，磁场作为环境因子被整合到植物适应环境变化的机制中。磁场相关的植物生物学效应背后的作用机理依然是一个未解之谜。通过研究磁场对植物生长育种的影响，有望进一步探索植物生长机制，发明新型的磁场诱变育种方式。例如，地球磁场可能通过刺激植物激素影响种子萌发，加速种子细胞中蛋白质的合成来加速发芽[90]；而微弱磁场环境可能减弱光抑制拟南芥下胚轴伸长的作用[91]，并且这种促进下胚轴生长的效应在黑暗条件下消失，证明了这种磁生物学效应与光的作用存在联系[92]。目前，由于缺乏有效的研究手段，植物感知磁信号并将信号转化为一系列生理生化响应的机制仍是一个悬而未决的问题。

近零磁环境、超高灵敏极弱磁场测量与精密磁场操控技术为研究植物生长育种背后的机理机制提供了新的技术手段。通过鉴定植物细胞中发挥关键作用的磁性分子，建立高效的靶标分子筛选体系，探明其产生机制、功能作用、在磁场影响下的理化行为具有重要意义，有望构建植物分子磁学理论。通过对比近零磁环境、地磁环境、以及调控磁场环境对植物生长育种的影响，探明植物具有磁场特异性的生物学过程。探索近零磁环境和调控磁场环境诱发植物遗传变异的可能性与可行性，研发针对植物生长发育表型和生理生化过程的磁场特异性调控技术，综合利用以上技术实现植物新品种培育。

3.2.3 动物磁场导航的机理

地磁场要素(地磁偏角、倾角和强度)为生物的迁徙、觅食等过程提供定位导航信息，对鸟类、哺乳动物、鱼类和昆虫的生长繁衍起到关键作用。动物如何感知地磁场并利用地磁信息进行长距离迁徙和导航是自然界中引人注目的问题。近年来国际学术界围绕动物磁场导航逐步开展了一些研究，发现了磁小体对于趋磁细菌磁场感应能力的作用[93]、海龟迁徙能力与地磁场和磁倾角的相关性[94]、外界磁场对黏虫的发育、飞行和迁移的影响[95]，但动物磁场导航的机理仍然有待研究。

利用近零磁环境和超高灵敏极弱磁场测量技术，开展零磁生物学研究，可以深入探索动物信息传递与处理的机制，从而科学地理解动物磁场导航的作用机理，揭示磁场对动物的控制机制。该研究不仅在基础研究中具有重要意义，也将服务于生物磁控技术和新一代磁导航技术的需求。在近零磁环境下，发挥精密磁场操控和长时间观测等优势，可以开展一系列动物磁场导航研究，例如研究近零磁环境对各类动物迁移的影响；研究磁场如何引导动物进行迁徙，以及如何在动物规律性迁徙活动中实现导航功能，发现动物磁场导航的生物学规律；研究通过磁场调控改变动物迁移路线的方法。该项研究有望发现动物依靠磁场导航不迷失方向的生物学原理，揭示动物迁徙之谜。

3.2.4 磁场对胚胎细胞发育的影响机制

在生命发育生长的过程中，物质的转运、信息的传递大都伴随着离子流动，这种离子流动受到磁场的影响。磁场可以影响动物干细胞的生长[96]，还会影响胚胎细胞的发育。在多个磁场强度水平下对海鳟鱼胚胎和仔鱼的研究揭示了不同强度的外界磁场与海鳟鱼发育的相关性，表明磁场不仅影响其卵子中的水分交换、胚胎的心率和呼吸、定向反应、空间定向等功能，还影响了胚胎和仔鱼体内黑色素细胞的出现[97]。

然而，磁场对胚胎细胞发育的影响机制尚不明晰。磁场影响胚胎细胞发育不仅可能与磁场的强度、分布及频率有关，也可能与胚胎细胞的种类和层次有关。另外，磁场对胚胎细胞的作用存在一定的作用强度域、时间域和场放大效应。而且细胞是高度复杂的有序结构，在一定程度上可以修复自身的损伤，所以当磁场作用于细胞时，上述的几种机制是共同起作用的。在近零磁环境中，发挥精密磁场操控和长时间观测的优势，可以开展动物胚胎在nT～fT量级微弱磁场中发育情况的研究，监测近零磁环境对各类动物胚胎发育速度的影响，发现胚胎发育的规律，研究磁场调控各类干细胞实现器官组织精细分化的作用，探索通过磁场调控改变分化方向，为发育缺陷类疾病的孕期干预提供新思路，有望揭示胚胎细胞发育生长机制。

3.3 零磁化学

3.3.1 磁场对离子与等离子动力学特性的影响

离子动力学特性，即反映离子受力与离子运动之间关系的特性。化学反应中离子动力学特性不仅取决于粒子间的相互作用，还取决于粒子与外场间的相互作用。磁场可以通过无接触能量传递的形式作用于原子核与核外电子，粒子由于外部磁场驱动，改变了其电子加热机制和带电粒子输运性能等特性，因此外部磁场会影响离子动力学特性。例如，由于磁场对电化学反应中溶液的离子具有搅拌作用，因此磁场会增强离子在溶液中的移动性，同时增大其扩散系数[98]。但目前的研究侧重于较强磁场环境，针对弱磁场影响离子动力学特性的研究较少。

由阳离子、中性粒子、自由电子等多种不同性质的粒子所组成的等离子体的动力学特性受外界磁场影响且可以通过外界磁场进行调控。例如，在真空断路器领域，通过操控纵向或横向磁电极，可相应提高真空断路器的开断性能[99]。如图19所示，在电弧电流相同的情况下，随着横向外加磁场的增大，等离子体压力分布开始出现偏移，并且偏移距离随着外加磁场的增强而增大[100]。但针对近零磁环境下，弱磁场对等离子体动力学特性的影响研究较少，机理目前尚不明晰。

基于超高灵敏极弱磁场测量技术，开展近零磁环境下离子和等离子体动力学特性的研究，建立量化分析模型，有望揭示辉光放电、流注放电、电弧发展等现象的机理。此外，在近零磁环境下，进一步将磁场精密测量技术和弱磁场精密操控技术结合，开展离子反应与等离子体放电过程精密控制方法研究，有望为等离子体磁场操控和离子反应控制开辟新的研究途径。

3.3.2 磁场对生物酶活性的影响

生物酶作为介导信号传导与驱动离子跨膜流动的重要大分子物质，其构象与活性在磁场作用下会发生变化，进而影响生物的各种代谢过程。改变磁场类型(恒定磁场、脉冲磁场、旋转磁场等)、磁场强度、梯度、频率与曝磁时长等参数，可研究磁场作用下生物酶分子构象和反应动力学的变化，进而探讨磁场影响生物酶活性的作用机理。已有诸多研究结果表明，低频弱磁场对动植物的生物酶活性均存在影响，同时对人体某些mRNA的活性也会产生影响。如图20所示，40 Hz、5 mT的低频电磁场会增强中风后患者过氧化氢酶mRNA的表达水平[101]，从而增强机体的抗氧化防御系统，说明低频电磁场通过调节氧化应激，从而提高中风病症的治疗效果。低频电磁场会对牛视网膜中杆外体节的腺苷酸激酶的活性产生作用，频率75 Hz、强度125 μT的电磁场会使得杆外体节膜、盘膜产生的ATP降低约54%[102]。对于植物生物酶活性，在0.l mT的磁场作用下，子叶完全分开的黄瓜幼苗中过氧化氢酶和谷胱甘肽还原酶的活性都有所提高，使得幼苗生长加快且寿命延长[103]。

目前磁场对生物酶活性影响的研究范围多为μT～mT量级，对于极限弱磁环境，特别是nT～fT量级磁场对生物酶活性的影响机理尚需研究。另外，目前不同频段、不同类型的外界电磁场对不同种类的生物酶活性的影响机理尚不明晰，磁场对于生物酶构象与酶促反应动力学的影响研究需要更加有效的精密测量手段。因此，利用超高灵敏极弱磁场测量技术与近零磁环境，可以探索不同类型磁场和曝磁时长对不同种类生物酶活性的作用机理。此外，通过精密操控外加磁场，开展生物酶活性弱磁调控研究，有望揭示极弱磁场影响下细胞代谢、生长、癌变等机制特性，发展磁场精密操控细胞代谢的新方法。

3.4 零磁材料学

3.4.1 有机半导体材料的磁场效应

有机半导体材料的光致发光、电致发光、注入电流和光电流对于外加磁场能够产生明显的响应，即产生有机半导体的磁场效应。有机半导体材料的磁场效应与激发态电子-空穴对的形成和演化过程中的自旋构型、自旋关联和自旋翻转密切相关[104]。对于光致发光的磁场效应，0.09 T幅值的磁场在不同的施主/受主浓度比的聚合物薄膜中，可不同程度地影响ECZ (N-ethylcarbazole) 和DMTP (Dimethyl Terephthalate) 的电子供体和受体对的荧光强度[105]。针对光电流的磁场效应，由于弱磁场可以改变蒽晶体的光电流，因此在有机半导体材料或有机复合材料中可以观测到光电流的磁场效应。例如，随外界磁场的增大，N-乙烯基咔唑薄膜瞬态光电流强度出现急剧下降的现象[106]。

外加弱磁场会对有机半导体材料的性能产生显著影响，而目前磁场影响的研究范围多为mT及以上量级，尚缺乏在nT～fT量级极弱磁环境下的深入研究。因此，应用超高灵敏极弱磁场测量技术，在近零磁条件下，探究磁场影响半导体材料激发态和电荷传输过程的作用机理，量化表征有机半导体材料的磁场效应。在此基础上，利用精密电磁操控技术，进一步开展有机半导体材料的光致发光、电致发光、注入电流和光电流效应等精密磁场控制研究，有望改善半导体器件的能量转换和光学传输效率，支撑新一代高效能半导体器件的发展。

3.4.2 长时间弱磁环境下岩石与地质演化机制

岩石磁学是古地磁学、环境磁学和磁法勘探的基础。岩石磁性主要由岩石中铁磁性和亚铁磁性等强磁性矿物(铁的氧化物和铁的硫化物)引起。磁铁矿和赤铁矿是地壳中最常见的2种磁性矿物，识别岩石或沉积物中这2种矿物的特性，对研究古地磁环境及其演化规律具有重要意义。通过测量剩余磁化强度、磁化率、磁滞参数等岩石磁学性质，分析复杂磁性矿物的磁畴状态与成矿过程，进而揭示岩石磁性信息与地质事件的本质关联。

对于地球岩石磁性测量，常用的测量仪器为Quantum Designs公司的商业低温磁强计(MPMS XL-5 EverCool)[107]，该仪器可以在低温下将自然地质样品的整体磁性分解为单独的磁性矿物成分。如图21所示，通过剩磁试验检测各种矿物样品和混合样品的磁性行为，进而提出一种能够在不需要先验知识的前提下，全面鉴定块状样品中磁性矿物种类的方法。图中：M为磁化强度；M(1.5T)为1.5T磁化强度；μ0H为真空磁通密度。

除了地球岩石磁性研究，外星球岩石磁性及地质演化机制的研究同样意义重大。月球作为深空领域研究最多的对象，已有大量学者针对其地表弱磁场分布进行探测。月球正面的磁场强度较弱，一般在0.75～6.0 nT之间[108]，月球背面的高地磁场较强，通常大于100 nT。月表弱磁场一般分布于近期形成的撞击坑或撞击盆地，月球正面部分区域的磁场强度分布如图22所示[109]。月球近侧已知最强磁异常(42 nT，18.6 km高)的来源大致与笛卡尔山脉的高反照率区域一致，该区域位于阿波罗16号着陆点东南偏南60 km处。因此，通过测量月球表面磁场分布，有望揭示月球表面地质演化规律和陨石撞击活动。

目前矿物磁性测量与地表磁性测量的精度有限，一定程度上限制了弱磁环境下地质演化规律的探索。因此，需要在近零磁环境中，应用超高灵敏极弱磁场测量技术，开展一系列岩石铁磁物质磁性精准测量与单独物质的精细识别，进而探索岩石形成机制、地质历史时期里地球的关键内部演化过程。另外，磁场环境不仅对地球岩石中铁磁性和亚铁磁性等强磁性矿物的形成存在影响，也对星体地质演化存在影响。因此在极弱磁场条件下，开展长时间磁场调控下的磁性矿物质变化过程的精密测量，探索磁场作用下星体岩石演化机理，进而揭示月球等星体的起源和地质变化过程，有望构建近零磁环境地质演化理论。

4 总 结

基于原子自旋效应的极弱磁场和惯性测量装置，已经实现了超越传统测量手段的测量灵敏度，进一步突破限制灵敏度提升的关键技术瓶颈，并同步开展小型化应用和“零磁”空间研究，将为医学应用、基础物理研究、国家战略安全和零磁科学研究带来颠覆性的研究手段。

在医学应用方面，瞄准帕金森病、阿尔茨海默病、心力衰竭、房颤等重大疑难心脑疾病，突破超高灵敏人体极弱磁场测量、高时空分辨率高清极弱磁成像等技术难题，反演估计脑内神经活动源，探索心脑发育规律和信号调控机制，揭示心脑退行性和发育性疾病的发病机理，为重大心脑疑难病症的早期诊断提供有效手段，实现心脑功能成像研究领域的技术变革，有望带来我国心脑疾病基础研究和临床研究的新突破。

在基础科学研究方面，瞄准前沿基础物理学的重大科学问题，探索光与原子相互作用机理，挑战超高灵敏极弱磁场和惯性测量指标纪录，开展EDM、异常自旋相互作用力、暗物质、强CP对称性破坏和CPT对称性破缺等探测研究，有望支撑超标准模型的建立，解答宇宙起源等谜题。瞄准生命科学中的重大科学问题，深入研究极弱神经信号的产生和传导机制等，有望揭示神经科学和脑科学中脑认知功能的机理等重大命题，助力重大科学发现。

在国家战略需求方面，聚焦中国新一代超高精度惯性导航和磁异常探测等国家安全重大科技问题，深入研究原子自旋系综精密闭环操控方法和误差传递与溯源机制，提升原子自旋惯性和极弱磁场的长期高灵敏测量能力，建成后有望支撑我国战略级超高精度惯性导航技术、超高灵敏磁异常探测技术的跨代发展。聚焦行星和深空环境探测的重大战略需求，研制高灵敏原子磁强计，探测行星表面土壤、岩石的微弱磁性和深空极弱磁环境，有望解释星体构造、星体和宇宙演变过程等重大科技问题。

在零磁科学研究方面，原创基础研究是国家科技发展的基石，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，国际竞争向基础研究竞争前移，加强从“0”到“1”的基础研究，开展零磁科学研究探索，聚焦近零磁环境下生物、医学、化学和材料学的前沿基础科学命题，开创近零磁环境下利用超高灵敏磁测量手段和精密弱磁调控方法，系统研究各类基础科学问题动态和长期变化过程，填补零磁基础学科研究空白，开辟新领域、提出新理论、发展新方法，取得开创性的新成果，为科技发展和认识自然提供原始动能，抢占国际科技竞争的制高点。