|作者：柴國(guó)志

(1 蘭州大學(xué) 磁學(xué)與磁功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

(2 蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院)

本文選自《物理》2026年第1期

摘要從古代就用于導(dǎo)航的指南針和羅盤，到地球物理勘探中磁場(chǎng)異常探測(cè)，到心、腦磁圖中捕捉的生物電活動(dòng)磁信號(hào)，再到物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物理現(xiàn)象研究，磁測(cè)量的精度直接決定了相關(guān)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的深度與技術(shù)應(yīng)用的廣度。高靈敏磁傳感器是磁測(cè)量器件的核心，其精度已成為磁傳感技術(shù)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力與關(guān)鍵評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。文章對(duì)各種高靈敏度磁傳感器進(jìn)行了梳理總結(jié)，以期對(duì)磁傳感器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞磁傳感器，磁通門，磁電阻，磁阻抗，量子磁力儀

01

磁測(cè)量精度的科學(xué)意義與技術(shù)挑戰(zhàn)

高精度的磁傳感器在幾次工業(yè)革命中都起到了重要的作用[1]。在第一次工業(yè)革命中，蒸汽機(jī)的發(fā)明極大地促進(jìn)了機(jī)械化的科技革命，與此同時(shí)，機(jī)械化又催生了大航海時(shí)代，基于靜磁力(力矩)的磁傳感器(羅盤)在地磁場(chǎng)下的精度可達(dá)到μT量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地磁分量的測(cè)量，可以進(jìn)行高精度的導(dǎo)航和定位。在第二次工業(yè)革命中，由于電磁學(xué)的發(fā)展，人類進(jìn)入到電氣時(shí)代；電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中電壓通常是標(biāo)準(zhǔn)化的，通過高精度的電流測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)電能功率的精準(zhǔn)測(cè)量。在該應(yīng)用場(chǎng)景下，基于電磁感應(yīng)和洛倫茲力的電流互感器、磁通門電流傳感器、霍爾傳感器等快速發(fā)展，將磁傳感器測(cè)量精度提升到nT級(jí)別。第三次工業(yè)革命中，半導(dǎo)體技術(shù)和信息化成為了主要?jiǎng)恿?。在信息存?chǔ)方面，由于磁電阻效應(yīng)傳感器便于集成，且響應(yīng)速度快，在磁記錄硬盤中的廣泛應(yīng)用極大地提升了信息存儲(chǔ)密度，使得人類進(jìn)入到大數(shù)據(jù)、大信息的年代。在工業(yè)4.0智能制造的大背景下[2]，磁傳感器作為信息獲取的主要途徑之一，對(duì)其測(cè)量精度有了更高的要求，需要結(jié)合傳統(tǒng)電磁感應(yīng)、基于自旋散射的磁電阻效應(yīng)和塞曼效應(yīng)等原理來進(jìn)一步提升磁傳感器的測(cè)量精度到pT(10-12 T)，甚至fT(10-15 T)量級(jí)，以滿足未來工業(yè)智能化的需求。

圖1　不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量精度的需求

在當(dāng)前的工業(yè)應(yīng)用與前沿研究中，不同領(lǐng)域?qū)Υ艤y(cè)量精度的需求差異巨大，如圖1所示。(1)工業(yè)應(yīng)用中，無人機(jī)和工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)控制通常需要保證0.1°以內(nèi)的姿態(tài)感知精度，這要求磁傳感器具有小型化低成本特點(diǎn)，精度優(yōu)于0.1 μT。(2)在地球物理應(yīng)用中，礦產(chǎn)資源產(chǎn)生的磁異常信號(hào)有可能小于1 nT，這要求磁探系統(tǒng)峰值噪聲低于0.1 nT；巖石應(yīng)力變化導(dǎo)致的磁異常小于0.1 nT，要求磁測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性小于0.01 nT/h；而在商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，航空磁測(cè)系統(tǒng)峰值噪聲需小于0.01 nT(最高級(jí)別噪聲評(píng)級(jí)下)[3]。(3)在生物醫(yī)療應(yīng)用中，心電活動(dòng)產(chǎn)生10—100 pT的磁場(chǎng)，心磁圖(MCG)測(cè)量要求磁傳感器噪聲小于10 pT/Hz1/2，在臨床診斷方面可比心電圖(ECG)更早檢測(cè)到心肌缺血，同時(shí)也解決了無法對(duì)腹中胎兒進(jìn)行心電信號(hào)測(cè)量的難題[4]；神經(jīng)突觸活動(dòng)產(chǎn)生10—1000 fT的磁場(chǎng)，腦磁圖(MEG)測(cè)量要求系統(tǒng)噪聲小于5 fT/Hz1/2 [5]。(4)在基礎(chǔ)物理研究中，原子磁傳感器可以從奇異自旋相關(guān)相互作用的角度對(duì)暗物質(zhì)候選粒子(如類軸子粒子)進(jìn)行搜尋[6]；它們也是中子或電子等粒子存在永久電偶極矩的重要誘因[7]，一般需要磁傳感器具備優(yōu)于pT的磁場(chǎng)探測(cè)精度，有些模型甚至要求磁場(chǎng)分辨達(dá)到fT甚至aT級(jí)。綜上所述，現(xiàn)代高精度磁測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)磁場(chǎng)分辨的要求已從早期的地磁范圍mT/μT級(jí)躍升至pT/fT級(jí)，跨越了超過9個(gè)數(shù)量級(jí)，這驅(qū)動(dòng)了磁傳感原理從基于經(jīng)典電磁學(xué)原理到半經(jīng)典的自旋相關(guān)散射，再 到電子、質(zhì)子等粒子自旋和軌道磁矩量子化相關(guān)的量子物理的演進(jìn)。

圖2　可用于磁傳感的相關(guān)物理原理 (a)洛倫茲力和電磁感應(yīng)原理；(b)基于自旋相關(guān)散射的磁電阻效應(yīng)；(c)基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)量子干涉器件；(d)基于電子、質(zhì)子自旋角動(dòng)量量子化在磁場(chǎng)中的自旋拉莫爾進(jìn)動(dòng)效應(yīng)

磁傳感技術(shù)的發(fā)展是一部磁測(cè)量精度提升史。根據(jù)其物理原理，可劃分為如圖2所屬的四類：第一類是基于經(jīng)典電磁感應(yīng)效應(yīng)的感應(yīng)線圈、磁通門計(jì)，基于洛倫茲力產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)傳感器和20世紀(jì)90年代提出的磁阻抗效應(yīng)(magnetic impedance, MI)傳感器等(圖2(a))；第二類傳感器是基于半經(jīng)典物理的各類磁電阻效應(yīng)的傳感器，具體有各向異性磁電阻(anisotropic magnetoresistance, AMR)、巨磁電阻(giant magnetoresistance, GMR)和隧穿磁電阻傳感器(tunneling magnetoresistance, TMR)等(圖2(b))；第三類是基于低溫量子效應(yīng)，如基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)量子干涉儀(superconducting quantum interference device, SQUID)(圖2(c))；第四類是基于室溫量子效應(yīng)的二能級(jí)系統(tǒng)的磁共振類傳感器，包括質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、光泵原子磁力儀和NV(nitrogen-vacancy)色心傳感器等(圖2(d))。這些磁傳感器的物理原理、發(fā)現(xiàn)歷史、磁場(chǎng)測(cè)量范圍和應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)見表1[8—22]。噪聲譜密度是噪聲功率譜密度(數(shù)學(xué)定義為單位頻率帶寬內(nèi)的噪聲功率)的平方根，物理含義為在1 Hz帶寬內(nèi)，平均噪聲的數(shù)值，是衡量磁傳感器測(cè)量精度的主要標(biāo)準(zhǔn)。圖3給出了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局(NIST)測(cè)試過的多種磁傳感器磁場(chǎng)噪聲譜密度的測(cè)試數(shù)據(jù)[23]。

表1　常見磁傳感器的物理原理、發(fā)現(xiàn)歷史、測(cè)量范圍和應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)

圖3 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局(NIST)測(cè)試過的多種磁傳感器噪聲譜密度總結(jié)[23]

02

基于經(jīng)典原理的高精度磁傳感器

基于經(jīng)典原理的磁傳感器包括三類：(1)感應(yīng)線圈磁傳感器和磁通門磁強(qiáng)計(jì)主要基于電磁感應(yīng)原理；(2)磁阻抗傳感器則是基于非共振磁矩進(jìn)動(dòng)的電磁感應(yīng)效應(yīng)和渦流效應(yīng)綜合產(chǎn)生的磁阻抗效應(yīng)；(3)霍爾傳感器是基于載流子洛倫茲力的霍爾效應(yīng)。在這些傳感器中，霍爾傳感器因基于半導(dǎo)體工藝成本極低，因此，通常的便攜式手持磁力儀都是基于霍爾傳感器開發(fā)的，量程為1 T，磁場(chǎng)分辨能力在1 μT左右，不適用于高精度磁場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)景。下面主要針對(duì)感應(yīng)線圈磁傳感器、磁通門磁強(qiáng)計(jì)和磁阻抗傳感器進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1　感應(yīng)線圈式磁傳感器

感應(yīng)線圈式磁傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)定律，如圖2(a)所示。在閉合回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與穿過回路的磁通量變化率之間呈正比關(guān)系，可直接實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。在電流檢測(cè)模型中，磁通量感應(yīng)出來的電流通過跨阻放大器轉(zhuǎn)換為輸出電壓，這意味著無需傳統(tǒng)的積分器即可在寬頻帶內(nèi)獲得與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的平坦電壓響應(yīng)信號(hào)。電流檢測(cè)模式的優(yōu)勢(shì)是跨阻放大器的高增益，在低頻段，其靈敏度是電壓檢測(cè)模式的數(shù)倍，這對(duì)于線圈電阻較小的系統(tǒng)提升尤為顯著；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)從數(shù)十Hz到數(shù)十kHz的線性測(cè)量。

由于感應(yīng)電壓與環(huán)境磁場(chǎng)間的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)單，感應(yīng)線圈的匝數(shù)和橫截面積等因素都可以準(zhǔn)確確定，傳感器便于設(shè)計(jì)。又由于傳遞函數(shù)不包含材料因素，電壓對(duì)磁場(chǎng)具有線性依賴關(guān)系，并且沒有理論磁場(chǎng)上限。然而，線圈傳感器也存在一些不足之處，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)并非取決于磁場(chǎng)值，而是取決于該磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化量，所以其靈敏度由傳感器的面積和匝數(shù)決定，這使得很難將感應(yīng)線圈傳感器微型化。盡管帶有鐵磁芯的線圈傳感器可以適當(dāng)減小線圈尺寸，但由于磁芯磁導(dǎo)率依賴于磁場(chǎng)值和溫度，而使得影響因素更復(fù)雜，性能會(huì)有所下降。

2.2　磁通門磁強(qiáng)計(jì)

磁通門磁強(qiáng)計(jì)(磁通門計(jì))能夠測(cè)量大約在10-11—10-3 T范圍內(nèi)的直流或低頻交流磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。磁通門計(jì)通常選取磁導(dǎo)率較高的軟磁性材料(坡莫合金、鈷基非晶合金等)作磁芯。其測(cè)量原理為：在周期性交變激勵(lì)磁場(chǎng)的作用下，敏感磁芯單元達(dá)到周期性過飽和狀態(tài)；外磁場(chǎng)將被調(diào)制成磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生攜帶被測(cè)磁場(chǎng)信息的二次諧波感應(yīng)電壓，其與所測(cè)量的磁場(chǎng)成正比。在線圈后端采用相敏檢波器從感應(yīng)電壓中提取二次諧波分量，并且在電路中設(shè)計(jì)負(fù)反饋回路來補(bǔ)償環(huán)境磁場(chǎng)，使磁芯一直工作在零磁場(chǎng)附近的線性區(qū)域來保證磁通門計(jì)的線性度。

磁通門計(jì)作為固態(tài)傳感器，具有抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用、可靠、能耗低、工作溫區(qū)范圍寬等優(yōu)勢(shì)，能夠達(dá)到10 pT的分辨率和1 nT的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。國(guó)際上比較著名的有英國(guó)公司研制的Mag13系列磁通門計(jì)，在內(nèi)部集成有溫度補(bǔ)償電路，磁場(chǎng)探測(cè)精度可以達(dá)到4 pT/Hz1/2@1 Hz。許多高精度直流磁通門計(jì)的截止頻率為幾十Hz，但必要時(shí)，磁通門計(jì)也可以通過提高調(diào)制頻率使其帶寬提高到kHz頻率。磁通門計(jì)的線性度可達(dá)30 ppm，溫度漂移可低至0.1 nT/℃，靈敏度溫度系數(shù)通常在30 ppm/℃左右，有些磁通門計(jì)甚至可通過溫度補(bǔ)償降至1 ppm/℃[24]。磁通門計(jì)被用于地質(zhì)勘探、航空磁測(cè)繪、地磁臺(tái)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地球磁場(chǎng)的變化，還用于太空磁環(huán)境探測(cè)。磁通門原理還可以應(yīng)用于鐵磁材料的無損檢測(cè)和高精度的電流傳感器中。目前為止，磁通門計(jì)仍是工業(yè)上最常用的高精度矢量磁場(chǎng)傳感器。

2.3　磁阻抗傳感器

1994年，日本名古屋大學(xué)K. Mohri等人發(fā)現(xiàn)CoFeSiB非晶絲兩端的交流阻抗隨著外加直流磁場(chǎng)的增加而急劇改變[10]。其工作原理可以用圖4的示意圖來理解：當(dāng)絲狀磁性材料中通入交流電流

i

ac 后，在其表面的環(huán)向方向會(huì)誘導(dǎo)出等效磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)

H

0 共同作用使得表層磁矩

M

0 產(chǎn)生非共振的進(jìn)動(dòng)從而產(chǎn)生等效交流電感。同時(shí)，由于磁性材料中趨膚深度

eff 與外磁場(chǎng)相關(guān)，使得高頻交流電流通過的截面積隨外磁場(chǎng)增加而減小，即交流電阻隨外磁場(chǎng)而變化。除交流電阻效應(yīng)外，電路中也存在磁電感效應(yīng)，在外磁場(chǎng)作用下交流阻抗會(huì)發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象被統(tǒng)稱為磁阻抗(MI)效應(yīng)，由于磁阻抗效應(yīng)中阻抗變化率通常都超過100%，因此，也被稱為巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)。

圖4　磁阻抗效應(yīng)原理示意圖

基于磁阻抗效應(yīng)研制的磁場(chǎng)傳感器主要用于弱磁場(chǎng)探測(cè)。由于磁阻抗效應(yīng)所利用的非晶軟磁材料具有極高磁導(dǎo)率和極低矯頑力，因此，磁阻抗傳感器具有非常高的靈敏度和很小的磁滯效應(yīng)。磁阻抗傳感器綜合了電磁感應(yīng)效應(yīng)和高頻阻抗對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)，即不僅利用了材料的電阻屬性，還利用了其高磁導(dǎo)率產(chǎn)生的電感效應(yīng)；因此理論上比僅利用電磁感應(yīng)效應(yīng)或磁電阻效應(yīng)的傳感器具有更高的靈敏度。典型的磁阻抗磁場(chǎng)傳感器敏感材料為非晶絲、非晶帶和磁性薄膜等。如果進(jìn)一步對(duì)磁阻抗敏感頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將磁噪聲的背景白噪聲降到1 pT量級(jí)。目前文獻(xiàn)報(bào)道的最優(yōu)參數(shù)來自于名古屋大學(xué)，他們研制的磁阻抗傳感器噪聲已經(jīng)優(yōu)于2 pT/Hz1/2，日本愛知公司商業(yè)磁阻抗傳感器產(chǎn)品中最低的磁場(chǎng)測(cè)量噪聲譜密度為10 pT/Hz1/2。

2.4　基于經(jīng)典電磁學(xué)理論的傳感器精度討論

上述介紹的三類傳感器都基于法拉第電磁感應(yīng)原理，產(chǎn)生的電壓信號(hào)幅值正比于單位時(shí)間內(nèi)的磁通變化率。非晶材料在具有更高磁導(dǎo)率的同時(shí)具有更小的矯頑力，其磁滯更弱，是磁芯材料的良好候選；另一方面，頻率越高，器件感應(yīng)到的電壓幅值越大。磁通門的激勵(lì)頻率一般為10—100 kHz，磁阻抗為100 kHz—10 MHz，磁阻抗傳感器的頻率最高，材料磁導(dǎo)率也更高，原理上也具有更高的感應(yīng)電壓信號(hào)。目前有些高精度磁通門也開始用非晶材料代替坡莫合金用于敏感探頭中。

03

基于電子自旋散射的固態(tài)磁電阻傳感器

磁電阻效應(yīng)是指材料電阻隨外加磁場(chǎng)變化的物理現(xiàn)象，是磁電阻傳感技術(shù)的物理基礎(chǔ)。磁電阻傳感器可利用三個(gè)不同效應(yīng)：各向異性磁電阻、巨磁電阻和隧穿磁電阻。自巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，磁電阻效應(yīng)及其傳感器的相關(guān)中文綜述較多[25]，本文主要針對(duì)磁電阻傳感器的測(cè)量精度進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。

3.1　各向異性磁電阻傳感器

各向異性磁電阻(anisotropic magnetoresistance, AMR)效應(yīng)最早于1857年由英國(guó)物理學(xué)家W. Thomson報(bào)道[12]?，F(xiàn)在對(duì)AMR的物理原理的認(rèn)識(shí)為：在鐵磁材料中，自旋—軌道耦合的存在使得電子的散射幾率及其自旋方向與電流方向的夾角相關(guān)，其電阻也呈各向異性[12]。由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制，這一發(fā)現(xiàn)在其后的一百多年間并未獲得大量應(yīng)用。直到20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)高密度信息讀取的需求，AMR效應(yīng)才重新進(jìn)入研究視野。1985年IBM公司利用AMR效應(yīng)制作了磁盤的讀出磁頭，并將其用于IBM 3480磁帶機(jī)，標(biāo)志著AMR技術(shù)從理論走向大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的開始。

AMR傳感器通常采用坡莫合金(NiFe)作為敏感材料，并設(shè)計(jì)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量，電橋可消除共模誤差并提高電阻測(cè)量精度。AMR傳感器的優(yōu)勢(shì)在于工藝簡(jiǎn)單、成本低、溫度穩(wěn)定性較好。其磁電阻變化率通常為2%—5%，飽和磁場(chǎng)較低(幾個(gè)至數(shù)十奧斯特)，磁場(chǎng)噪聲譜密度一般為nT/Hz1/2，西班牙Mateos等人[26]通過優(yōu)化電路將最低磁場(chǎng)噪聲降至0.15 nT/Hz1/2。作為小型磁傳感器，AMR傳感器的測(cè)量精度顯著優(yōu)于霍爾傳感器，但與pT級(jí)精度仍有較大差距。它非常適合性能要求不高但對(duì)成本敏感的應(yīng)用，如汽車節(jié)氣門位置傳感器、電子羅盤和低速旋轉(zhuǎn)檢測(cè)等。

3.2　巨磁電阻效應(yīng)傳感器

巨磁電阻(GMR)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。1988年，法國(guó)物理學(xué)家A. Fert團(tuán)隊(duì)在Fe/Cr金屬超晶格中觀察到高達(dá)50%的電阻變化率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)時(shí)已知的AMR效應(yīng)[13]。幾乎同時(shí)，德國(guó)科學(xué)家P. Grunberg在Fe/Cr/Fe三明治結(jié)構(gòu)中也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象[14]。GMR磁頭在硬盤里的應(yīng)用極大地提升了硬盤的存儲(chǔ)密度，開啟了高密度磁存儲(chǔ)的新時(shí)代，這使兩位科學(xué)家共同榮獲了2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

GMR效應(yīng)的物理本質(zhì)源于鐵磁金屬中自旋相關(guān)的散射機(jī)制，如圖2(b)所示。在描述輸運(yùn)過程時(shí)，GMR傳感器采用雙電流模型理解：首先電子的兩種自旋狀態(tài)(↑和↓)在鐵磁體中的散射幾率不同(即平均自由程不同)，可同時(shí)將傳導(dǎo)電子劃分為兩個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道有自己的電阻率(

↑和

↓)，總電阻是這兩個(gè)通道的并聯(lián)電阻。在磁矩平行和反平行時(shí)，由于串并聯(lián)關(guān)系不同會(huì)出現(xiàn)低阻態(tài)和高阻態(tài)兩種電阻狀態(tài)。

GMR技術(shù)作為自旋電子學(xué)的第一個(gè)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用成果，徹底改變了磁存儲(chǔ)和磁傳感技術(shù)的格局，其發(fā)展歷程體現(xiàn)了基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)的深度融合。雖然目前在硬盤中GMR磁頭已經(jīng)被更高性能的TMR磁頭取代，但GMR在磁記錄發(fā)展過程中起到的推動(dòng)作用是巨大的。

3.3　隧穿磁電阻效應(yīng)傳感器

隧穿磁電阻效應(yīng)(TMR)的物理基礎(chǔ)是量子隧穿效應(yīng)，它是三種磁電阻技術(shù)中磁電阻變化率最高的，室溫下可達(dá)20%—600%。1975年，Julliere在Fe/非晶Ge/Co結(jié)中首次觀察到TMR效應(yīng)。TMR的核心機(jī)制是，電子在鐵磁電極之間的量子隧穿概率與電極磁化方向的相對(duì)取向密切相關(guān)。在磁性隧道結(jié)(magnetic tunnel junction, MTJ)中，當(dāng)兩個(gè)鐵磁層的磁化方向平行時(shí)，自旋電子可以從其中一個(gè)電極的多數(shù)自旋能帶隧穿到另一個(gè)電極的多數(shù)自旋能帶，隧穿概率大，電阻??；當(dāng)反平行時(shí)，電極的多數(shù)自旋能帶與另一個(gè)電極的少數(shù)自旋能帶對(duì)應(yīng)，隧穿概率小，電阻大。TMR與GMR最大的不同在于，TMR需要采用納米級(jí)厚度的非金屬層作為隧穿層。

MTJ的材料性能改進(jìn)主要包括勢(shì)壘層材料的優(yōu)選和鐵磁電極材料的優(yōu)化。1995年Moodera等人將非晶AlO

作為勢(shì)壘層，通過金屬鋁的自然氧化制備，低溫TMR效率為24%，室溫效率約為12%，隨后在室溫下最高可以提高到70%，這已經(jīng)高于一般GMR效應(yīng)的數(shù)值 [27] 。2004年理論上預(yù)測(cè)，采用單晶MgO勢(shì)壘可以將TMR效應(yīng)提高到1000%以上，之后在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了200%以上的TMR效應(yīng) [16] 。當(dāng)前室溫實(shí)驗(yàn)中得到的最高TMR值可超過600% [28] 。

TMR的工作頻率最高可達(dá)GHz量級(jí)，很快在硬盤中代替GMR成為硬盤讀出磁頭的最優(yōu)選擇。經(jīng)過多年發(fā)展，目前商業(yè)TMR傳感器單器件可實(shí)現(xiàn)0.15 nT/Hz1/2@1 Hz的噪聲譜密度，加上磁通聚集器后，等效的磁場(chǎng)噪聲譜密度可低于10 pT/Hz1/2@1 Hz。

3.4　磁電阻類傳感器靈敏度與性能特征討論

磁電阻類傳感器的測(cè)量靈敏度與其磁電阻值密切相關(guān)。TMR的磁性隧道結(jié)具有最大的磁電阻效應(yīng)，也具有磁電阻類傳感器中最高的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)。AMR的磁電阻值最低，磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)也較低。GMR傳感器的磁電阻值適中，靈敏度也適中，樣品制備難度較AMR來說要高，但又不像TMR一樣需要高質(zhì)量的1 nm左右的隧穿層，因此性價(jià)比較高，仍然在電流、位置和角度傳感等場(chǎng)景下大量使用。雖然從磁電阻效應(yīng)上來講是TMR>GMR>AMR，但由于AMR僅使用單層FeNi磁性層，具有優(yōu)良的軟磁特性，在膜較厚時(shí)其貢獻(xiàn)的載流子噪聲也較小，而GMR和TMR都包括超薄的非磁性金屬和絕緣體中間層，導(dǎo)致它們的電阻噪聲較大。綜合來看，噪聲譜密度的優(yōu)劣排序?yàn)椋篢MR(0.1 nT級(jí))>AMR(0.5 nT級(jí))>GMR(1 nT級(jí))。

同時(shí)需要指出，磁電阻類傳感器所采用的磁性材料相對(duì)于非晶和塊體坡莫合金來講，矯頑力較大，導(dǎo)致器件具有較大的磁滯現(xiàn)象，這限制了它們?cè)趯?duì)磁場(chǎng)絕對(duì)精度有較高要求場(chǎng)景下的使用。但是，現(xiàn)在研究者們也針對(duì)這一缺陷開發(fā)出了補(bǔ)償措施，例如在AMR中采用置位復(fù)位電路將磁芯不斷地沿著某個(gè)磁場(chǎng)方向飽和磁化，保證所有的測(cè)量都在同一剩磁態(tài)下進(jìn)行，從而可降低磁滯的影響。在TMR傳感器中也可引入負(fù)反饋線圈補(bǔ)償環(huán)境磁場(chǎng)，使磁性隧道結(jié)工作在零磁場(chǎng)附近的線性區(qū)，也可降低一部分磁滯。即使如此，在線性度和零場(chǎng)偏移等指標(biāo)上，磁電阻類傳感器仍比不上傳統(tǒng)的磁通門傳感器。

04

超導(dǎo)量子干涉器件

早在1964年，Jaklevic等人就觀察到了兩個(gè)超導(dǎo)結(jié)并聯(lián)存在的量子干涉效應(yīng)[18]。超導(dǎo)量子干涉儀通常與一個(gè)超導(dǎo)磁通變壓器耦合，該變壓器包含兩個(gè)線圈，一個(gè)拾取線圈環(huán)境磁場(chǎng)，另一個(gè)與超導(dǎo)量子干涉儀回路耦合(圖2(c))。結(jié)合感應(yīng)線圈中的磁通感應(yīng)，Jaklevic等研制了早期的超導(dǎo)量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)[18]。1981年，Ketchen和Jaycox提出了平面方形墊圈型的SQUID結(jié)構(gòu)，通過墊圈上方多匝輸入線圈與SQUID墊圈進(jìn)行磁通耦合，構(gòu)成磁通變壓器從而將外磁場(chǎng)耦合到SOUID器件中，實(shí)現(xiàn)了直流SQUID的低噪聲、高靈敏度，也稱為Ketchen構(gòu)型SQUID[29]，其核心結(jié)構(gòu)在接下來的幾十年內(nèi)基本無變化。在直流SQUID中[30]，兩個(gè)約瑟夫森結(jié)的干涉還會(huì)引起一種較慢的振蕩，其整體響應(yīng)類似于通過兩個(gè)狹縫進(jìn)行光學(xué)衍射時(shí)的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣。SQUID的輸出電壓會(huì)呈現(xiàn)出一種調(diào)制，每個(gè)周期與回路中的單個(gè)量子磁通

0 (等于2.07×10 ?15 Wb)相對(duì)應(yīng)。直流SQUID采用恒定電流偏置，而射頻SQUID則采用振蕩射頻電流偏置。

超導(dǎo)量子干涉儀需要冷卻到超導(dǎo)回路的臨界溫度以下使用，低溫SQUID(通常由鈮制成)使用液氦冷卻，高溫SQUID則使用液氮冷卻。其對(duì)于靜態(tài)或低頻信號(hào)的靈敏度極高，尤其是低溫SQUID噪聲極低，具有可逼近量子極限的噪聲性能，器件等效磁場(chǎng)靈敏度達(dá)到了1 fT級(jí)。

迄今為止，SQUID仍是最為靈敏的磁通傳感器，通常用于磁場(chǎng)計(jì)量、實(shí)驗(yàn)室微弱磁信號(hào)測(cè)量或地磁場(chǎng)測(cè)量等，其主要商業(yè)應(yīng)用是心磁圖儀和腦磁圖儀。目前基于高溫超導(dǎo)的SQUID可以將使用溫度提高至液氮溫區(qū)，其最小磁場(chǎng)分辨大約為0.1 pT級(jí)別。盡管在液氮溫區(qū)，但仍需要低溫裝置，這限制了其在某些輕量化場(chǎng)景的應(yīng)用。

05

原子磁共振類磁傳感器

原子磁共振類傳感器包括質(zhì)子磁力儀、光泵原子磁力儀、NV色心傳感器等，原理都是利用微觀粒子的自旋磁矩在外磁場(chǎng)下的共振效應(yīng)，也可理解為由于量子化的自旋磁矩存在，使得原子能級(jí)在磁場(chǎng)下產(chǎn)生不同的能級(jí)劈裂現(xiàn)象，即塞曼效應(yīng)。質(zhì)子磁力儀利用的是原子核磁矩進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的磁通來感應(yīng)電壓信號(hào)，光泵原子磁力儀利用的是He或堿金屬原子中電子磁矩在外磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)對(duì)相同頻率電磁波的吸收來測(cè)量磁場(chǎng)。

例如，質(zhì)子的核磁共振能級(jí)劈裂為42.6 MHz/T，He光泵的23

S

1 態(tài)的能級(jí)劈裂為28 GHz/T，Rb原子磁力儀的5 2

S

1/2 態(tài)能級(jí)劈裂為7 GHz/T等。關(guān)于這類傳感器的更詳細(xì)量子原理介紹見2024年北京大學(xué)郭弘等在《物理》上的綜述文章 [31] 。也可以從經(jīng)典磁共振角度理解(圖2(d))：自旋磁矩在外磁場(chǎng)下的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率為：，其中

f

為拉莫爾頻率值，

為旋磁比，

B

為外磁場(chǎng)大小，外磁場(chǎng)大小與拉莫爾頻率成正比例關(guān)系，因此可以通過測(cè)量質(zhì)子或核外電子的進(jìn)動(dòng)頻率的方法來獲得外部磁場(chǎng)值。

5.1　質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀

質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀是一種基于氫原子核(質(zhì)子)在環(huán)境磁場(chǎng)中的旋進(jìn)效應(yīng)制成的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。質(zhì)子磁力儀的探頭中充滿含氫液體，這些氫質(zhì)子在無極化磁場(chǎng)時(shí)，處于無規(guī)律的排列狀態(tài)；當(dāng)極化電感線圈接通電源從而建立極化磁場(chǎng)后，質(zhì)子磁矩在極化磁場(chǎng)作用下有序排列，對(duì)外顯示出宏觀磁矩；在質(zhì)子溶液被充分極化之后，去除極化磁場(chǎng)，此時(shí)極化的質(zhì)子將繞外磁場(chǎng)做旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，每個(gè)旋進(jìn)的質(zhì)子磁矩都會(huì)在線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，并隨時(shí)間以指數(shù)形式衰減。由于線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與宏觀磁矩旋轉(zhuǎn)頻率相同，可以通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率來得到拉莫爾頻率，進(jìn)而得到外磁場(chǎng)值。

在測(cè)量方法優(yōu)化方面，利用動(dòng)態(tài)核極化(Overhauser效應(yīng)[32])可顯著提高信噪比，降低功耗，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。其主要原理為：由于未配對(duì)電子與原子核內(nèi)質(zhì)子自旋之間的耦合，當(dāng)電子自旋由于電子順磁共振被極化后，質(zhì)子也會(huì)相應(yīng)被極化，由于電子的極化相對(duì)于質(zhì)子更加容易，Overhauser效應(yīng)采用極化電子來實(shí)現(xiàn)核磁矩的間接極化方案。共振效應(yīng)會(huì)放大微波場(chǎng)的效果，從而極大地降低了所需要的極化場(chǎng)。當(dāng)微波場(chǎng)撤掉時(shí)，質(zhì)子仍處于激發(fā)狀態(tài)，和前述傳統(tǒng)質(zhì)子磁力儀一樣，核磁矩會(huì)在外磁場(chǎng)方向的作用下自由弛豫進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率為核磁共振頻率。在這種工作模式下，由于電子順磁共振的線寬非常窄，相對(duì)于傳統(tǒng)極化方式來講極化效率更高，因此對(duì)磁場(chǎng)的分辨精度也更高，1 Hz磁場(chǎng)分辨可達(dá)0.2nT，通常用于物探領(lǐng)域[33]。

5.2 He光泵和堿金屬原子磁力儀

光泵原子磁力儀利用的是某些氣態(tài)堿金屬原子或He原子電子殼層結(jié)構(gòu)最外層未配對(duì)電子自旋磁矩在磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)來測(cè)量磁場(chǎng)。與質(zhì)子磁力儀的不同之處在于，電子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)旋磁比與質(zhì)子不同，其他物理圖像基本一致。光泵磁力儀的工作過程可以分為三個(gè)階段(圖5)[20]，首先是光學(xué)泵浦階段，利用圓偏振光將原子泵浦到特定的磁激發(fā)能級(jí)，實(shí)現(xiàn)原子的自旋極化。在這個(gè)過程中，選擇合適的泵浦光源和偏振狀態(tài)至關(guān)重要，這直接影響到原子的極化效率和最終的測(cè)量精度。之后是磁共振階段，極化的原子在外部磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)，當(dāng)施加的射頻場(chǎng)頻率與拉莫爾頻率一致時(shí)發(fā)生磁共振現(xiàn)象，這會(huì)減少由光泵浦產(chǎn)生的粒子數(shù)而引起光的強(qiáng)烈吸收。最后是信號(hào)檢測(cè)階段，通過探測(cè)透射光強(qiáng)度或偏振狀態(tài)的變化來獲取磁共振信號(hào)，進(jìn)而反演出磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖5　基于光誘導(dǎo)磁共振的磁場(chǎng)探測(cè)原理

堿金屬原子磁力儀與He光泵相比，利用的是基態(tài)電子磁矩，可以兼具較高的相互作用原子數(shù)密度以及較長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間，磁場(chǎng)探測(cè)極限靈敏度單項(xiàng)指標(biāo)是最優(yōu)的(0.1 pT/Hz1/2)。He光泵磁力儀則由于核自旋為零的優(yōu)勢(shì)使得能級(jí)差與外磁場(chǎng)呈線性關(guān)系，不存在非線性塞曼效應(yīng)，因此抗干擾能力更強(qiáng)，在絕對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量方面具有優(yōu)勢(shì)。目前，基于He和堿金屬的原子磁力儀均已經(jīng)將測(cè)量噪聲譜密度降至1 pT/Hz1/2以內(nèi)。

1973年，Happer等首次報(bào)道了自旋交換展寬隨著溫度升高而下降的現(xiàn)象[34]，即無自旋交換弛豫(SERF)現(xiàn)象，其原理是在高原子密度、低磁場(chǎng)下，溫度的升高使原子快速碰撞達(dá)到了抑制自旋交換弛豫的效果，從而降低了磁共振的展寬，提高了對(duì)頻率的分辨率。2002年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的Romalis等首次將SERF效應(yīng)應(yīng)用于光學(xué)原子磁力儀[21]，達(dá)到了在高原子數(shù)密度條件下的原子自旋極化信號(hào)增強(qiáng)而磁共振線寬不增加的效果，實(shí)現(xiàn)了靈敏度為10 fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀。經(jīng)過近些年的發(fā)展，SERF原子磁力儀的測(cè)量精度達(dá)到甚至超越了SQUID的測(cè)量精度[35]。但需要指出，SERF態(tài)需要較高的溫度，并且由于該效應(yīng)僅在低磁場(chǎng)下有效，其測(cè)量量程往往只有nT級(jí)別，在工作時(shí)需要較大的屏蔽裝置來屏蔽環(huán)境磁場(chǎng)以達(dá)到工作所需的弱磁場(chǎng)環(huán)境。

5.3　氮空位缺陷NV色心傳感器

基于金剛石氮空位(NV)等固體色心的量子傳感技術(shù)，是近年來量子精密測(cè)量領(lǐng)域的重要突破之一。NV色心是金剛石晶格中的一種點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)，由一個(gè)替代位氮原子(N)和相鄰的晶格空位(V)組成。其基態(tài)為自旋量子數(shù)

S

=1的三重態(tài)，具有較長(zhǎng)的量子態(tài)相干時(shí)間(室溫下可達(dá)毫秒量級(jí))。NV色心的自旋量子態(tài)可通過光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)高效初始化和讀出，結(jié)合微波脈沖可精準(zhǔn)操控其自旋量子態(tài)，基于NV色心的磁共振量子傳感器已經(jīng)快速推廣應(yīng)用(圖6)。相較于其他量子傳感體系，基于NV色心的磁力儀具有高靈敏度、高空間分辨率、適應(yīng)高溫高壓強(qiáng)磁等極端條件的特點(diǎn)。 自1997年實(shí)現(xiàn)單個(gè)NV色心的光探磁共振(ODMR)實(shí)驗(yàn)以來，該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究發(fā)展迅速。在基礎(chǔ)研究方面，隨著金剛石材料生長(zhǎng)和器件制備工藝的不斷改進(jìn)，加上量子控制技術(shù)的快速發(fā)展，金剛石NV色心量子傳感器的核心指標(biāo)得到了大幅提升。例如，基于集群NV色心和極致的量子測(cè)控技術(shù)，德國(guó)Wrachtrup團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了亞pT的測(cè)磁靈敏度 [36] ；通過與原子力掃描探針的結(jié)合，多個(gè)團(tuán)隊(duì)展示了數(shù)十納米的空間分辨率 [37] 。在應(yīng)用研究方面，基于金剛石NV色心的量子傳感器被廣泛用于超導(dǎo)材料、磁性材料的微區(qū)物性表征；在生命科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域也展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力 [38] ，例如細(xì)胞尺度的生化過程監(jiān)測(cè)，以及用于高溫、高壓等極端條件下的物性表征等 [39] 。

圖6　氮空位缺陷NV色心傳感器的原理圖

5.4　基于自旋共振類傳感器的精度討論

如前所述，提高此類傳感器的測(cè)量精度的根本途徑是增大統(tǒng)計(jì)系綜中的粒子數(shù)。具體而言，對(duì)于堿金屬原子磁力儀，可通過升高氣室溫度以增加單位體積內(nèi)的堿金屬蒸氣數(shù)密度

n

；在NV色心傳感器中，則需通過改進(jìn)金剛石生長(zhǎng)與NV色心制備工藝來提高NV色心密度。在自旋間相互作用可忽略的理想情況下，系統(tǒng)的噪聲譜密度可相對(duì)于單粒子極限縮減1/

n

1/2 。需指出的是，現(xiàn)有質(zhì)子磁力儀與原子磁力儀主要用于測(cè)量磁場(chǎng)的絕對(duì)值，常規(guī)設(shè)計(jì)對(duì)磁場(chǎng)方向不敏感。盡管近期有 利用調(diào)制線圈實(shí)現(xiàn)矢量測(cè)量的方案，但會(huì)顯著降低測(cè)量精度 [40] 。因此，在需要高精度矢量磁場(chǎng)測(cè)量的領(lǐng)域(如空間磁場(chǎng)探測(cè))中，仍普遍采用原子磁力儀與磁通門配合的策略：前者用于絕對(duì)磁場(chǎng)的精確標(biāo)定，同時(shí)依靠后者提供磁場(chǎng)矢量的三分量數(shù)值。

06

其他高精度磁傳感器候選

除上述磁傳感器外，還有磁致伸縮原理、磁力耦合、磁光效應(yīng)等原理的高精度磁測(cè)量技術(shù)，在本節(jié)稍做介紹。

(1)基于材料磁致伸縮效應(yīng)的傳感器可以采用磁電耦合方法將磁致伸縮材料與壓電材料耦合，將磁致伸縮材料的形變通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵鰧?shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。也可以將磁致伸縮材料覆蓋在光纖或者光學(xué)微腔表面，利用磁致伸縮涂層在外磁場(chǎng)作用下的尺寸變化，通過測(cè)量光纖的相位或微腔的頻率變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)的響應(yīng)。基于磁電耦合和微腔的磁傳感器依賴于機(jī)械諧振頻率，在諧振頻率下會(huì)具有非常高的磁場(chǎng)分辨力，當(dāng)微腔或壓電/磁致伸縮復(fù)合結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子(諧振頻率與共振線寬比值)足夠好時(shí)，其測(cè)量精度在諧振頻率處可達(dá)pT量級(jí)。但需要指出，這類傳感器往往會(huì)與環(huán)境的振動(dòng)耦合到一起，從而限制了其在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

(2)利用微加工懸臂梁測(cè)量磁場(chǎng)的方案則是在懸臂梁中通入交變電流，在外磁場(chǎng)中懸臂梁會(huì)受到交變的洛倫茲力，通過測(cè)量洛倫茲力引起的壓敏電阻變化可以感應(yīng)環(huán)境磁場(chǎng)大小。

(3)偏振光打到磁性材料上時(shí)會(huì)發(fā)生偏振方向偏轉(zhuǎn)的磁光效應(yīng)，透射時(shí)稱為法拉第效應(yīng)，反射時(shí)為磁光克爾效應(yīng)。磁光效應(yīng)磁傳感器通常用來測(cè)量磁性材料中的磁矩在磁場(chǎng)中的取向和磁疇結(jié)構(gòu)。

07

總結(jié)與展望

本文介紹了多種可能用于高精度磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域的磁傳感器，也討論了不同類型傳感器精度提升的思路和限制發(fā)展的各種瓶頸，希望可以對(duì)高精度磁傳感器的研發(fā)和應(yīng)用起到一定的借鑒作用。如果簡(jiǎn)單從最優(yōu)的噪聲譜密度來考慮，低溫的SQUID和SERF原子磁力儀具有fT級(jí)別的測(cè)量精度；磁通門計(jì)、感應(yīng)線圈、磁阻抗傳感器和原子磁力儀則是在pT級(jí)別；磁電阻傳感器在0.1 nT級(jí)別。但需要指出的是，技術(shù)發(fā)展始終在“極限精度”與“系統(tǒng)復(fù)雜性”間尋求平衡點(diǎn)：SQUID精度最高(fT/Hz1/2)，但需液氦冷卻；SERF精度相當(dāng)(fT/Hz1/2)，在室溫工作，但其只能測(cè)量標(biāo)量磁場(chǎng)，且需要高溫加熱，量程僅為nT級(jí)；NV色心傳感器精度略低(pT/Hz1/2)，但空間分辨率高，在微磁探測(cè)和磁成像方面有較大應(yīng)用潛力。感應(yīng)線圈與磁通門等經(jīng)典磁傳感器雖然仍是基于兩個(gè)世紀(jì)前提出的電磁感應(yīng)原理，但這類磁傳感器可靠耐用，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，目前仍然是使用規(guī)模最大的高精度磁傳感器。例如，在對(duì)生物磁場(chǎng)測(cè)量方面，基于感應(yīng)線圈的心磁圖儀并不比SERF傳感器測(cè)量效果差多少。

因此，在高精度磁傳感器領(lǐng)域，沒有最好的磁傳感器，只有最適合的磁傳感器。

致 謝感謝中國(guó)科學(xué)院物理研究所劉剛欽研究員，以及蘭州大學(xué)俞周路、曹雨萌、謝櫻楠、劉一朋、張宗原、張豪、王元保、曾慶璨等同學(xué)幫助調(diào)研相關(guān)磁傳感器資料。

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應(yīng)用物理專題 往期回顧

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《物理》是由中國(guó)科學(xué)院物理研究所和中國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦的權(quán)威物理類中文科普期刊，注重學(xué)科性與科普性相結(jié)合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學(xué)科大家之力，追蹤物理學(xué)成果，服務(wù)物理學(xué)領(lǐng)域，促進(jìn)學(xué)科交叉，讓科學(xué)變得通俗易懂。已成為我國(guó)眾多物理專業(yè)的大學(xué)生、研究生、物理學(xué)家案頭常讀的刊物之一。

作者：眾多活躍在科研、教學(xué)一線的院士、專家。

讀者：物理學(xué)及其相關(guān)學(xué)科(如化學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)、信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)等)的研究人員、教師、技術(shù)開發(fā)人員、科研管理人員、研究生和大學(xué)生，以及關(guān)注物理學(xué)發(fā)展的讀者。

欄目：特約專稿、評(píng)述、熱點(diǎn)專題、前沿進(jìn)展、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、研究快訊、物理攫英、物理學(xué)史和物理學(xué)家、物理學(xué)漫談、物理教育、人物、科學(xué)基金、物理新聞和動(dòng)態(tài)、書評(píng)和書訊等。

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