本報北京8月21日電（記者晉浩天）一枚指南針，去掉轉軸和懸線，讓磁針整個懸浮在空中，會發生什麼？近日，北京大學物理學院季偉團隊聯合德國美因茨大學團隊給出了答案——他們利用室溫懸浮磁鐵實現了磁場探測，並將其命名為“懸磁儀”（LeMaMa）。它可以在地磁環境中，探測到強度僅為地磁十億分之一的微弱磁場變化。

“指南針要靈敏，就得讓磁針轉得輕鬆，最好連摩擦都沒有。最徹底的辦法，就是讓磁鐵直接懸浮起來，可這並不容易，最大的難度在於讓磁鐵穩穩待住。”季偉告訴記者，兩塊磁鐵之間的吸引排斥力可以和重力平衡，但這種平衡極不穩定，磁鐵稍微偏離一點，就可能迅速翻轉或飛離。“這就像把一枚雞蛋豎立在光滑的桌面上，某一瞬間似乎立住了，但一絲微小的擾動就能讓它倒下。”

怎麼讓它穩住？研究團隊在懸浮磁鐵下方鋪了一層抗磁材料。“這種材料受到磁場時會產生排斥效應，像一隻‘無形的手’從下方托住磁鐵。上方磁鐵負責提供主要懸浮力，下方抗磁材料負責穩定。兩‘手’配合，一枚微型傳感磁鐵就穩穩懸浮在半空。懸浮起來的磁鐵，成了沒有轉軸也沒有懸線的‘指南針’：橫向磁場稍有變化，它就會受到磁力矩作用，輕輕轉一下頭。只要量出這次轉頭，就能反推出外界磁場的大小和變化。”季偉說。

可這枚“指南針”實在太小了。它的厚度隻有約0.4毫米，和圓珠筆筆尖差不多，肉眼根本看不出它轉沒轉。論文共同第一作者徐昌豪介紹，研究團隊的辦法是給磁鐵表面做一面微型反光面，用一束激光照上去：磁鐵一轉，反射光的方向就跟著變，光的位移在幾米長的光路上被不斷放大，最后落到高靈敏探測器上，讀出的是清晰的光斑位移。這套“光學杠杆”讓極微小的轉動無處遁形。

通過對磁懸浮、材料磁噪聲和光學讀出的精細控制，研究團隊實現了32fT/√Hz（飛特斯拉每根號赫茲）的磁場探測靈敏度。“地球磁場大約是幾十微特斯拉，這意味著這枚不到1毫米的懸浮磁鐵，能感知地磁十億分之一量級的微弱變化。更重要的是，它在室溫、地磁背景環境下就能直接工作。”季偉說。

他介紹，現有的超靈敏磁場探測各有各的“嬌氣”：超導量子干涉磁力計離不開低溫環境，高靈敏原子磁力計需要加熱原子氣室，還得在近乎零磁場的環境裡運行。而懸磁儀不用低溫、傳感元件不到1毫米，為超靈敏、微型化的磁場探測開辟了一條新路。

“這項技術還處在發展早期，靈敏度、帶寬、長期穩定性都有提升空間，但室溫工作、微型元件、高靈敏度三樣湊在一起，讓它有望用在生物磁信號測量、微小樣品磁性分析、核磁共振乃至基礎物理精密測量上。”季偉透露，研究團隊已將其用於暗物質探測，在特定質量范圍內將軸子暗物質探測靈敏度較此前最好結果提升了多個數量級，進一步展現了懸磁儀在基礎物理精密測量中的應用潛力。

新知解碼

抗磁材料是什麼？

與絕大多數材料不同，抗磁材料見到磁場，不是被吸過去，而是被輕輕推開，而推開它們的這股力，就叫抗磁性。水有抗磁性，石墨也有抗磁性。

抗磁性平時很弱，大家基本感覺不到。可磁場足夠強時，它能做一件很有意思的事：把一隻青蛙懸浮起來。科學家曾用極強磁場做實驗，青蛙體內大部分是水，水受到磁場會輕輕排斥，整隻青蛙就這樣被磁場“托”在半空，穩穩當當。做出這個實驗的科學家叫安德烈·海姆，是中國科學院外籍院士，后來他和他的學生因石墨烯獲得諾貝爾物理學獎。

抗磁性雖弱，關鍵時刻能派上大用場。在懸磁儀裡，這層“排斥磁場”的材料就墊在懸浮磁鐵下方：磁鐵想往下掉，它往上推，磁鐵想往上走，重力就把它往下拉，仿佛被兩雙“無形的手”托在中間。