1、量子传感芯片：

       量子传感器利用物质的极小单元：原子、分子、电子、光子等进行传感，这些极小单元对外界物理量如磁场、电场、角速度等及其敏感，因此，量子传感器具有超高灵敏度的特性。当前量子传感器的体积庞大，限制了量子传感器的应用，因此，将微光机电系统和量子传感技术结合，研制量子传感芯片，扩大量子传感器的应用范围。

（1）芯片原子磁强计

      原子磁强计利用原子自旋对磁场的敏感特性进行磁场测量，并且对磁场以的测量具有超高灵敏的特性，灵敏度可以达到fT量级，有望对大脑磁场进行成像，服务于阿尔兹海默症的早期诊断、抑郁、癫痫术前定位、脑机接口等。 将原子磁强计和芯片技术结合有望突破现有传感器的体积，提升脑磁等极弱磁的空间分辨率，降低传感器的成本。相比较脑电信号而言，脑磁信号可以穿透头皮而不发生信号畸变，因此可以对脑部深处的信号进行检测，对癫痫术前的致病部位进行定位等。本研究部分将聚焦于传感器核心敏感元件以及整个脑磁系统的搭建，研制新一代的脑磁影像设备（具有广阔的市场前景），本研究基于西安交通大学医工交叉产教融合平台，对本研究进行了很好的支持。

       A.基于核自旋补偿的运动脑磁测量：

      在人体运动状态下进行脑磁测量具有很大的挑战，核心在于如何对由于运动造成的背景干扰磁场进行抑制；脑磁信号的强度一般在100fT量级，磁屏蔽房内部的剩磁通过补偿可以到1nT以内，虽然已经对磁场进行了较好的抑制，但是运动造成的磁场仍然较大。为此，开发一种基于核自旋的干扰磁场子补偿技术。如下图所示，利用超极化的核自旋可以实现运动状态下背景干扰磁场的补偿。

利用此磁强计，实现了灵敏度为3.2fT/Hz^(1/2) 的灵敏度。

下一步拟通过3He进行核自旋自补偿研究，研制小型化的原子磁强计探头，对运动脑磁进行测量。

            基于He3的小型化原子磁强计探头

     本课题组还研制了原子磁强计所需的各项关键核心技术，比如碱金属气室，无磁加热芯片等：

                  无磁加热芯片                                              MEMS碱金属气室

                    MEMS碱金属气室制作供气装置

B.电力市场用的芯片原子磁强计

       本课题组和国家电网合作，正在开发电力市场应用的电流传感器。在新能源产业的发展下，电力行业电网系统等对电流传感器的需求越来越大，为此，开发用于电网大电流监测的量子电流传感器，服务于未来智能电网智能调度的需求。

       超极化核自旋量子电流传感器是一种新型电流测量传感器，当前并未看到将其应用于电网大电流测量的相关研究报道，本项目的实施将有望在电网大电流测量方面进行原始创新。超极化核自旋量子电流传感器使用核自旋进行磁场测量，由于核自旋的旋磁比是电子自旋的千分之一且基于³He核自旋，其相干时间远远大于电子自旋，可以预见，基于³He核自旋可以对磁场进行更高精度的测量。

（2）芯片原子陀螺仪

       原子陀螺仪利用原子自旋在惯性空间保持定轴的特性进行角速度的测量，并且对转动角速度的测量具有超高灵敏的特性， 将原子陀螺仪传感器和芯片技术结合有望突破现有传感器的体积，降低传感器的成本，在自动驾驶、无人机、无人潜器等领域得到广泛应用。

参考文献：

1.Chen Y*, Zhao L*, Ma Y, Yu M, Wang Y, Zhang N, Wei K, Jiang Z. Spin exchange optically pumped nuclear spin self compensation system for moving magnetoencephalography measurement. Biomedical Optics Express 2022, 13(11): 5937-5951.

2.Ma Y, Qiao Z, Yu M, Wang Y, Chen Y*, Luo G*, Yang P, Lin Q, Zhao L, Zhang Y, Sun J, Qin G, Jiang Z. Single-beam integrated hybrid optical pumping spin exchange relaxation free magnetometer for biomedical applications. Applied Physics Letters 2022, 121(11): 114001. link

3.Chen Y, Yu M, Ma Y, et al. Quadrupolar interaction induced frequency shift of 131Xe nuclear spins on the surface of silicon[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2022.

实验平台图：

Chip-scale Atomic Magnetometer and co-magnetometer

1. We are a small group of people who are intrested in utilizing micro-machining technology to fabricate small size atomic magnetometer and co-magnetometers. These magnetometers are very sensitive and could be utilized in the brain magnetic field study. The co-magnetometer could be utilized for gyroscope and for inertial navigation.
2. We also focus on the studying of chip-scale atomic gyroscope. The atomic gyroscope may own very high precision and could be utilized in the automatic driving, unmaned under water veilchle and the unmanded airplane.

2、Penning离子阱技术——量子机械振子和转子

        (1) Penning 离子阱量子精密测量

        机械振子和转子是经典力学里边的常见物理系统，相对应的，量子机械振子和转子其能级是量子化的，利用Penning离子阱可以构建此类量子机械振子和转子系统。Penning离子阱通过电磁场将离子进行囚禁，离子组成二维平面，通过构建二维平面的量子谐振子可以用来进行极微弱力的测量，极限灵敏度可以达到10^(-24)N。

        传统的经典机械振子系统可以对加速度、角速度、压力等物理量 进行测量从而应用于惯性导航，并且此类系统可以进行微型化，所研制的传感器体积很小。相对应的，量子机械振子和转子可以应用于极微弱力测量、加速度测量、量子计算等，通过Penning离子阱构建二维离子平面晶体是研究此类问题很好的一个系统。

        此外，利用离子体系对暗物质进行探测等，对超出标准模型的新物理进行探测。

         (2) Penning 离子阱量子模拟

参考文献：Chen Y, Zhao L, Jiang Z. Rotation sensing with a compact Penning trapped calcium ion crystal system[J]. Bulletin of the American Physical Society, 2022. 链接

实验平台图：

Penning trapped ions

We also focus on studying penning trapped ions. These ions are trapped in a cylendrical penning trap. They could form an ion plane as well as rotating around the magnetic field. They just looks like a rotating disk. Quantum hamonic oscillators are studied in the system. We are very intrested in using these quantum oscillators for force sensing.

招生信息：硕士生导师，每年招收工程硕士2名。课题组经费充足，可以解决学费问题。

                     招生专业：(全日制)仪器仪表工程；(全日制)高端/智能制造装备与系统。

                     研究方向：量子传感和MEMS技术交叉方向。

                      International students are welcomed to join us.