房建成，魏凱，江雷，向岷，陸吉璽

1. 北京航空航天大學 大科學裝置研究院，北京 100191 2. 杭州極弱磁場重大科技基礎(chǔ)設(shè)施研究院，杭州 310051 3. 中國科學院 理化技術(shù)研究所，北京 100080 4. 中國科學院大學 未來技術(shù)學院，北京 100049

隨著國際單位制中7個基本計量單位的全部量子化，計量與測量技術(shù)已經(jīng)進入量子精密測量的時代。基于量子能級、量子相干性或自旋糾纏效應(yīng)進行精密測量，具有超越經(jīng)典測量極限的超高靈敏度和精度的優(yōu)勢[1]，目前基于量子精密測量的各項應(yīng)用正在走向?qū)嵱没?，有望在短期?nèi)產(chǎn)生廣泛的社會和經(jīng)濟效益，因而成為量子信息技術(shù)領(lǐng)域的熱點研究方向[2]。其中，基于原子自旋效應(yīng)的量子精密磁場與慣性測量技術(shù)近年來發(fā)展迅速，伴隨著測量靈敏度跨越式提升，超高靈敏極弱磁場與慣性測量裝置與儀器在生物磁信號測量、基礎(chǔ)物理探索、國家戰(zhàn)略安全、深空探測和零磁科學研究等領(lǐng)域，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[3-7]，如圖1所示。

在生物磁信號測量方面，運用超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)探測人體器官和組織產(chǎn)生的極弱磁場，有望解決疑難疾病診斷評估等重大難題?，F(xiàn)有的醫(yī)學成像手段分為結(jié)構(gòu)成像和功能成像兩大類。結(jié)構(gòu)成像手段包括X射線、CT、B超、結(jié)構(gòu)磁共振等，其目的是探測人體結(jié)構(gòu)，目前發(fā)展已較為成熟，在器質(zhì)性疾病的研究和診療方面做出了巨大貢獻。傳統(tǒng)探測人體功能的成像手段包括功能磁共振等，目前還難以完全滿足醫(yī)學研究和臨床應(yīng)用的廣泛需求。利用極弱磁場成像測量技術(shù)，對人體極弱磁信號進行超高靈敏檢測和成像，在靈敏度、分辨率、靈活性等方面顯現(xiàn)出優(yōu)勢[8]，彌補現(xiàn)有人體功能成像方法的不足，可實現(xiàn)對人體功能信息全面深入的獲取和分析，揭示心腦等重大疾病的極弱磁信號特征規(guī)律，發(fā)現(xiàn)特異性的生物標志物，助力疾病機理研究、早期診斷和預(yù)后評估，為人體功能信息學的發(fā)展提供新一代高性能技術(shù)手段，支撐高端醫(yī)療裝備的發(fā)展，服務(wù)于醫(yī)學基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用。

在前沿基礎(chǔ)物理領(lǐng)域，標準模型近乎完美地描述了基本粒子的特性，是物理學領(lǐng)域最重要的成就之一，但是仍存在無法解釋暗物質(zhì)來源、無法兼容引力相互作用等核心問題[9]。這些超越標準模型的物理現(xiàn)象推動了超標準模型的建立，通過實驗測量手段進行模型自洽性檢驗是驗證新物理理論的有效途徑。超高靈敏極弱磁場與慣性測量裝置在暗物質(zhì)探測(軸子和類軸子)、CPT(Charge conjugation, Parity inversion, Time reversal)和洛倫茲(Lorentz)對稱性破缺驗證、第五種力測量等方面，取得了重要的研究進展，創(chuàng)造了多項指標紀錄[10-13]。另外，固有電偶極矩測量(Electric Dipole Moment, EDM)可解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)存在差別的原因，為宇宙起源的研究提供支撐，基于超高靈敏極弱磁場與慣性測量裝置開展EDM測量是對傳統(tǒng)研究方法的有效補充[14]。因而超高靈敏極弱磁場與慣性測量裝置為重大基礎(chǔ)物理學命題的研究提供了一種有效的新途徑，有望產(chǎn)生新的科學發(fā)現(xiàn)。

在國家戰(zhàn)略安全方面，慣性導航是唯一不受外界干擾的全自主導航技術(shù)，安全性和可靠性高。國家戰(zhàn)略安全領(lǐng)域?qū)τ诟呔鹊膽T性導航技術(shù)有著迫切需求，急需基于新機理的超高精度陀螺儀技術(shù)[15]。超高靈敏慣性測量裝置支撐研制的原子陀螺儀理論零偏穩(wěn)定性可達10-8(°)/h量級，已經(jīng)成為下一代超高精度陀螺儀的重要發(fā)展方向之一[16-17]，因此研制超高精度原子陀螺儀，有望占據(jù)量子慣性導航的發(fā)展先機。另外，水下目標磁異常探測具有識別能力強、定位精度高等優(yōu)點，已經(jīng)成為一種探測水下航行器的有效方式[18]。國內(nèi)外在磁異常探測中普遍采用光泵磁強計，目前高靈敏度光泵磁強計的靈敏度為亞pT/Hz1/2量級[19]，且國外產(chǎn)品對中國禁運。因此，超高靈敏度磁強計是“引不進、買不來”的核心關(guān)鍵部件，急需研究基于新機理的新一代更高靈敏度磁異常探測手段?；谠幼孕?yīng)的超高靈敏極弱磁場測量裝置的靈敏度已實現(xiàn)亞fT/Hz1/2量級[20]，有望為磁異常探測磁強計的研制提供一種變革性的新技術(shù)，支撐我國磁異常探測能力的提升。

在深空探測方面，磁場測量是研究宇宙形成機制、推演行星演化過程和分析星體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等空間科學問題的重要手段。20世紀中葉以來，航天器開始搭載各類磁場傳感器探索宇宙磁場分布，測量了月球、火星和太陽等星體的磁場，促進了許多重大空間科學的發(fā)現(xiàn)[21,22]。磁通門是最常用的深空磁場探測載荷，具有適應(yīng)性強、可靠性高等特點，但其靈敏度和漂移等指標難以滿足未來對深空極弱磁場探測的需求[23]。超高靈敏度極弱磁場測量裝置是迄今靈敏度最高的磁場測量手段[24]，為探測深空極弱磁場提供了一種新手段，將為驗證宇宙起源和演化等理論提供有力支撐。超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)與深空磁場探測的交叉融合，有望推動天文學、天體物理學等領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)。

在零磁科學研究方面，地球上約50 μT的地磁場環(huán)境，為地球生命的起源和繁衍提供了根本保障，人類對磁場的研究由來已久。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，磁場與其他學科的交叉融合煥發(fā)出勃勃生機，但近零磁條件下極弱磁場精密調(diào)控的零磁科學基礎(chǔ)研究依然處于空白狀態(tài)。超高靈敏磁測量、高性能磁屏蔽和精密磁場操控等技術(shù)的迅猛發(fā)展，為零磁科學研究奠定了基礎(chǔ)。依托超高靈敏極弱磁場與慣性測量科學裝置，在極弱磁場環(huán)境、精密磁場操控和超高靈敏磁測量等方向深厚的技術(shù)基礎(chǔ)和前瞻引領(lǐng)的研究規(guī)劃，開展從“0”到“1”的零磁基礎(chǔ)科學研究，聚焦“零磁”環(huán)境下的生物學、醫(yī)學、化學和材料學等領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)科學命題，有望發(fā)現(xiàn)新的實驗現(xiàn)象、揭示新的作用機理、建立新的系統(tǒng)理論，發(fā)展新方法，開創(chuàng)零磁科學全新的研究方向。

本文針對繼續(xù)沖擊超高靈敏度測量紀錄、打造國際領(lǐng)先極弱磁場環(huán)境、以及深化和拓展上述應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進行分析和探討。首先，本文對超高靈敏極弱磁場與慣性測量科學裝置和基礎(chǔ)研究的工作原理、系統(tǒng)組成和設(shè)計分析方法進行介紹。然后，對原子磁強計和高性能零磁空間的關(guān)鍵技術(shù)進行分析，重點討論限制性能指標進一步提升的關(guān)鍵問題。最后，基于超高靈敏極弱磁場與慣性測量科學裝置，利用極弱磁場環(huán)境、超高靈敏磁測量和精密磁場操控方法，開展零磁醫(yī)學、零磁生物學、零磁化學和零磁材料學的基礎(chǔ)科學研究，展望建立零磁科學研究新方向。

1 超高靈敏極弱磁場與慣性測量及基礎(chǔ)研究

1.1 超高靈敏極弱磁場測量裝置

弱磁測量的發(fā)展歷程如圖2所示。在弱磁測量領(lǐng)域，常用的基于電磁感應(yīng)定律的磁通門磁強計，靈敏度為0.1～1 nT/Hz1/2量級(1 nT=10-9T)；基于電子共振的光泵磁強計靈敏度可提高3個量級，達到0.1～1 pT/Hz1/2量級(1 pT=10-12T)；基于超導約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化的超導量子干涉儀靈敏度可以達到fT/Hz1/2量級(1 fT=10-15T)，靈敏度又提高了3個數(shù)量級，但需要液氦冷卻，成本較高且不便移動。2002年普林斯頓大學物理系Romalis小組首次將無自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free, SERF)效應(yīng)應(yīng)用于磁場測量[25]，于2003年在28～45 Hz頻段內(nèi)梯度差分模式下實現(xiàn)了0.54 fT/Hz1/2的靈敏度，超越超導量子干涉儀，首次進入亞fT/Hz1/2水平，創(chuàng)造了當時的磁測量世界紀錄[26]；之后又在2010年將40 Hz頻率處梯度差分模式下的靈敏度指標進一步提升至0.16 fT/Hz1/2[20]。利用該技術(shù)理論可實現(xiàn)aT/Hz1/2量級(1 aT=10-18T)的靈敏度。

基于SERF原子自旋的極弱磁場測量工作原理是利用磁屏蔽裝置創(chuàng)造的近零磁環(huán)境大幅降低堿金屬原子的拉莫爾進動頻率，同時通過提高其原子密度增加自旋交換率，在自旋交換率遠大于拉莫爾進動頻率時，原子的自旋交換弛豫得到充分抑制，實現(xiàn)SERF狀態(tài)，從而可以在極高的原子密度下實現(xiàn)較長的弛豫時間，提高極弱磁場的測量靈敏度。

基于SERF原子自旋的極弱磁場測量裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括核心物理系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、隔振臺、電子測控系統(tǒng)等。其中，光學系統(tǒng)包括抽運光路和檢測光路，抽運光路用于極化原子，檢測光路用于檢測原子自旋進動信號，隔振臺用于隔離環(huán)境振動對測量的影響，電子測控系統(tǒng)則用于采集和控制系統(tǒng)的光電信號。核心物理系統(tǒng)主要包括多層坡莫合金磁屏蔽、低噪聲鐵氧體磁屏蔽、三維磁場線圈、真空腔、無磁電加熱、堿金屬氣室等。裝置的核心敏感元件是位于系統(tǒng)中心的原子氣室，氣室內(nèi)部封裝堿金屬原子及緩沖和淬滅氣體，用于敏感極微弱磁場的變化；無磁電加熱模塊用于對堿金屬氣室進行高溫加熱；多層坡莫合金磁屏蔽、低噪聲鐵氧體磁屏蔽、以及三維磁場線圈為原子提供一個極低剩磁和極低磁噪聲的近零磁環(huán)境[27]。

處于SERF態(tài)下的原子自旋敏感磁場的基本過程為：當存在待測磁場時，原子自旋將在這一磁場的作用下發(fā)生拉莫爾進動，引起原子自旋方向的變化；通過檢測激光可以實現(xiàn)對原子自旋進動的檢測，并最終轉(zhuǎn)化為電信號輸出。裝置輸出信號的噪聲譜通常用于表征磁場測量的靈敏度。但是，由于超高靈敏磁場測量裝置的原子自旋測量靈敏度遠優(yōu)于所處磁屏蔽裝置內(nèi)的背景磁噪聲，因此裝置單一通道輸出信號的噪聲譜難以表征其自身真實的靈敏度水平。需要采用梯度差分測量的方式，將同一氣室內(nèi)相鄰通道的信號相減，從而抑制磁屏蔽的共模磁場噪聲，之后再進行噪聲譜分析得到其梯度差分測量模式下的靈敏度，該指標反映的是裝置自身真實的磁場測量靈敏度水平。

2019年北京航空航天大學(以下簡稱北航)研究團隊研制的超高靈敏原子自旋磁場測量裝置，在30～39 Hz頻段范圍內(nèi)梯度差分模式下實現(xiàn)了優(yōu)于0.1 fT/Hz1/2的靈敏度指標。同時北航研究團隊于2021年獲批了國家發(fā)改委重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的科研和建設(shè)任務(wù)，圍繞高性能磁屏蔽空間和超高靈敏極弱磁場與慣性測量科學裝置，開展基礎(chǔ)科學探索和技術(shù)應(yīng)用研究，服務(wù)國家“四個面向”的發(fā)展規(guī)劃。在重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的支持下，將進一步開展更高靈敏度的極弱磁場測量裝置的研制工作，計劃2026年在20～100 Hz頻段內(nèi)梯度差分模式下實現(xiàn)最優(yōu)靈敏度指標達到0.015 fT/Hz1/2，為前沿基礎(chǔ)物理學、神經(jīng)科學、生命科學以及零磁科學的研究提供平臺，同時支撐高靈敏度原子磁強計的研制。實現(xiàn)該靈敏度具有很強的挑戰(zhàn)性，其難點和關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1)如何為原子自旋提供極端的低磁噪聲環(huán)境。解決這一難題需要研究高性能超低噪聲的磁屏蔽與磁補償技術(shù)，可能的技術(shù)途徑包括新型低噪聲磁屏蔽材料研制、超導線圈磁屏蔽技術(shù)、高均勻區(qū)磁場線圈及超精密電流源技術(shù)等。

2)如何抑制原子自旋進動信號檢測噪聲對測量靈敏度的影響。解決這一難題需要研究超低噪聲的旋光角檢測技術(shù)，可能的技術(shù)途徑包括高性能激光器及其噪聲抑制技術(shù)、高壓縮度偏振壓縮態(tài)光場檢測技術(shù)等[28]。

3)如何研制支撐更高靈敏度極弱磁測量的堿金屬原子氣室。解決這一難題需要研究大尺寸抗弛豫堿金屬氣室技術(shù)，可能的技術(shù)途徑包括原子源優(yōu)化配比、大尺寸耐腐蝕的玻璃氣室技術(shù)等。

1.2 超高靈敏原子自旋慣性測量裝置

超高靈敏原子自旋慣性測量利用光抽運極化堿金屬原子，然后利用堿金屬原子和惰性氣體原子之間的自旋交換碰撞超極化惰性氣體核自旋，自旋極化的惰性氣體原子敏感慣性轉(zhuǎn)動信號而發(fā)生自旋進動，再利用堿金屬原子測量惰性氣體核自旋磁矩的進動信號，實現(xiàn)對慣性轉(zhuǎn)動信號的測量。通過工作在SERF態(tài)，利用原子間快速自旋交換碰撞抑制在外磁場中的自旋退相干進動，能有效抑制自旋交換弛豫，因而具有超高的理論靈敏度潛力[26]。

裝置主要包括核心物理系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、隔振支撐系統(tǒng)以及電子測控系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示[29]。核心物理系統(tǒng)由原子氣室、無磁電加熱、磁場線圈、真空腔體和磁屏蔽桶等組成，原子氣室參數(shù)決定了慣性測量的靈敏度潛力，磁屏蔽桶和磁場線圈為原子氣室提供低噪聲的弱磁場環(huán)境以及操控磁場。光學系統(tǒng)用于裝置中核自旋-電子自旋耦合系綜的操控以及原子自旋進動信號的精密探測。隔振支撐系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)的機械支撐結(jié)構(gòu)、被動隔振裝置以及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺。電子測控系統(tǒng)為一套數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，用于進行系統(tǒng)各種信號的采集、處理以及反饋。

這種效應(yīng)使得基于原子自旋的超高靈敏慣性測量裝置可以抑制低頻磁場擾動，從而只敏感角速度和異常作用力[5]。

高效核自旋超極化和高均勻電子自旋極化是提升核自旋自補償抑制磁噪聲能力的關(guān)鍵[31]。為了抑制極化光場共振吸收導致的電子自旋極化梯度和核自旋超極化效率下降，該裝置中采用混合自旋交換光抽運技術(shù)，能實現(xiàn)超極化率和自旋極化均勻性數(shù)量級的提升，該技術(shù)在基于惰性氣體核自旋的中子極化和肺部成像等研究中也有廣泛應(yīng)用。通常采用主方程[32]和Bloch方程組[33-34]描述超高靈敏慣性測量中堿金屬電子自旋和惰性氣體核自旋的耦合動力學特性。超高靈敏慣性測量裝置的靈敏度由信號的噪聲譜表征，為提升測量靈敏度，需要對噪聲信號進行系統(tǒng)建模分析，并采取針對性方法進行噪聲抑制。

北航研究團隊在1 Hz的低頻段已經(jīng)實現(xiàn)了1.8×10-6(°) s-1·Hz-1/2的慣性測量靈敏度指標，和普林斯頓大學研究團隊在南極實現(xiàn)的同頻段靈敏度相當[35-36]。目前北航研究團隊的超高靈敏原子自旋慣性測量裝置已應(yīng)用于第五種力測量和暗物質(zhì)的探索，將第五種力的相關(guān)參量指標紀錄提升了數(shù)個量級[13]。同時普林斯頓大學研究團隊的Brown等也利用超高靈敏原子自旋慣性測量裝置，將CPT對稱性破缺異常場與中子相互作用參量的測量指標紀錄提高到10-33GeV量級[10]；Smiciklas等將中子相關(guān)的Lorentz對稱性破缺參量的指標提升了2～4個量級[35]；Lee等[11]、Almasi等[6]將第五種力的相關(guān)參量指標紀錄提升了數(shù)個量級。

未來在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施支持下，北航研究團隊計劃2026年在1～100 Hz頻段內(nèi)實現(xiàn)最優(yōu)測量靈敏度達到2×10-8(°) s-1·Hz-1/2，有望實現(xiàn)暗物質(zhì)探測、第五種力測量、CPT和Lorentz對稱性破缺驗證等前沿基礎(chǔ)物理探索紀錄指標數(shù)量級的提升，將為前沿科學探索提供新的可能。實現(xiàn)這一指標，主要面臨如下難點：

1)如何實現(xiàn)磁噪聲和振動噪聲等多源低頻噪聲的高效抑制。解決該難點的可能技術(shù)包括新型低噪聲鐵氧體和非晶合金等磁屏蔽材料研發(fā)、高溫超導磁屏蔽研制、核自旋自補償、主被動組合隔振技術(shù)等。

2)如何突破光子散粒噪聲限制實現(xiàn)超高靈敏原子自旋進動檢測。解決該難點的可能技術(shù)包括高穩(wěn)定低噪聲激光光源控制、偏振壓縮態(tài)光場檢測技術(shù)、原子自旋系綜精密操控技術(shù)等。

3)如何制備高效超極化的混合原子氣室。解決該難點的可能技術(shù)包括低應(yīng)力殘留、高透光性、大尺寸耐腐蝕玻璃氣室制備，混合原子源精密充制與檢測，混合光抽運和脈沖光抽運，低噪聲無磁加熱等。

基于超高靈敏原子自旋慣性測量裝置，同步開展集成化的SERF原子陀螺儀研制，其理論精度可達10-8(°)/h量級[37]。普林斯頓大學Romalis小組于2005年實現(xiàn)了0.04 (°)/h的零偏穩(wěn)定性[7]。2018年，美國Twinleaf公司研制了SERF原子陀螺儀原理驗證裝置，實現(xiàn)了優(yōu)于0.01 (°)/h的零偏穩(wěn)定性[38]。另外，法國航空航天實驗室(ONERA The French Aerospace Lab)于2013年開始發(fā)展基于Rb-129Xe的SERF原子陀螺儀研究[39]。另外，航天13所也開展了SERF原子陀螺儀技術(shù)的研究工作[40]。

北航研究團隊于2011年在國內(nèi)首次實現(xiàn)陀螺效應(yīng)，并達到147.9 (°)/h的零偏穩(wěn)定性；2015年成功研制了國內(nèi)首臺SERF原子陀螺儀原理樣機，并實現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)角速率標定[17]，原理樣機如圖5所示；2020年，原理樣機的零偏穩(wěn)定性進入10-3(°)/h量級[41]。在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施支持下，北航研究團隊計劃深入開展提升零偏穩(wěn)定性的機理方法研究，服務(wù)于新一代慣導系統(tǒng)。

1.3 超高靈敏神經(jīng)科學與生命科學研究裝置

神經(jīng)科學與生命科學研究對探索生命奧秘、攻克人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病等重大疾病具有重要意義。醫(yī)學成像測量技術(shù)為神經(jīng)科學與生命科學研究提供了必要的檢測工具和手段，主要包括核磁共振、電子計算機斷層掃描、電生理測量、磁生理測量等。其中，基于血氧飽和度的功能性磁共振成像僅能達到秒級時間分辨率，并且無法直接反應(yīng)腦活動的總體激活情況；非侵入式生物電測量技術(shù)難以構(gòu)建精確的容積電流傳導模型，空間分辨率較低。傳統(tǒng)的生物磁測量技術(shù)無法滿足神經(jīng)科學和生命科學研究的需求，例如，基于超導量子干涉儀的磁測量設(shè)備系統(tǒng)復雜，維護成本高，需要被試位置固定，信噪比和空間分辨率有限。由于目前神經(jīng)科學與生命科學研究缺乏有力的測量工具和儀器，迫切需要超高靈敏極弱磁場測量新手段。而利用安裝在近零磁空間中的超高靈敏SERF原子磁強計可直接測量出神經(jīng)發(fā)出的極弱磁信號，是一種變革性的新型被動無損的精準測量手段，有望成為未來神經(jīng)科學與生命科學研究重要的儀器和工具。

超高靈敏神經(jīng)科學與生命科學研究裝置包含以下關(guān)鍵部件：磁屏蔽系統(tǒng)、陣列式原子磁強計、神經(jīng)磁場誘發(fā)刺激系統(tǒng)、神經(jīng)磁場和功能信息采集和處理系統(tǒng)、神經(jīng)磁場和功能信息分析系統(tǒng)，裝置示意如圖6所示。

1)磁屏蔽系統(tǒng)：采用被動磁屏蔽和主動磁補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)超高性能的磁場屏蔽，滿足極弱磁測量對極低剩磁和磁噪聲的要求，為神經(jīng)信號測量和人體功能信息獲取提供穩(wěn)定的近零磁測量環(huán)境。

2)陣列式原子磁強計：是神經(jīng)科學與生命科學研究裝置的核心組成部分，具備fT量級的磁場測量靈敏度，通過搭建可穿戴式的人體神經(jīng)磁場和功能信息測量裝置，覆蓋人體神經(jīng)系統(tǒng)和大腦功能分區(qū)，實現(xiàn)對神經(jīng)信號的精準檢測以及對神經(jīng)系統(tǒng)功能的高清成像，滿足生命科學研究對神經(jīng)功能信息高精度獲取的全方位要求。

3)神經(jīng)磁場誘發(fā)刺激系統(tǒng)：結(jié)合神經(jīng)磁信號采集的環(huán)境要求，建立系統(tǒng)高效的誘發(fā)刺激系統(tǒng)。根據(jù)神經(jīng)科學與生命科學研究要求，設(shè)計神經(jīng)信號測量實驗范式，向被試者施加視覺、聽覺、體感等刺激信號，以誘發(fā)人體神經(jīng)磁場，同時向數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)傳輸觸發(fā)信號，以進行信號同步。

4)神經(jīng)磁場和功能信息采集和處理系統(tǒng)：對人體神經(jīng)系統(tǒng)磁信號進行采集、處理、正向模型建立、逆問題求解等，獲取傳感器層級磁場信息和源層級磁場信息，對神經(jīng)活動進行毫秒級時間分辨率、毫米級空間分辨率的準確探測和定位。

5)神經(jīng)磁場和功能信息分析系統(tǒng)：利用高精度源定位獲得的神經(jīng)源活動信息及傳感器層級的事件相關(guān)信息，根據(jù)神經(jīng)區(qū)域活躍程度和不同神經(jīng)區(qū)域的響應(yīng)時間，基于信息理論，對神經(jīng)活動進行分析和可視化處理，探索結(jié)構(gòu)-功能耦合機制，揭示網(wǎng)絡(luò)連接與神經(jīng)功能間的相關(guān)性。

近年來，國際上相關(guān)研究團隊利用超高靈敏原子磁強計開展了神經(jīng)信號測量研究[3]。北航研究團隊研制的微小型原子磁強計，計劃于2026年在20～100 Hz頻段內(nèi)梯度差分模式下實現(xiàn)優(yōu)于0.1 fT/Hz1/2的靈敏度指標，實現(xiàn)對神經(jīng)活動的超高靈敏探測，為高級認知功能以及神經(jīng)信號產(chǎn)生、處理和傳導機理的研究提供更方便、更高靈敏度的技術(shù)手段，對于準確理解人體的正常功能機制和神經(jīng)精神疾病的發(fā)生發(fā)展過程、解決當前神經(jīng)科學難題具有重要意義，有望實現(xiàn)神經(jīng)科學機理研究的重大突破，為揭示神經(jīng)科學與生命科學本質(zhì)規(guī)律，開辟新的研究途徑。

2 原子磁強計與零磁空間

2.1 高靈敏度原子磁強計

高靈敏度磁強計在弱磁計量測試、深空磁探測、磁異常探測等諸多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。目前低磁噪聲磁屏蔽艙在醫(yī)學、生物學等領(lǐng)域研究中的應(yīng)用越發(fā)廣泛，但是現(xiàn)有的弱磁計量測試裝置靈敏度有限，難以精確測量出磁屏蔽系統(tǒng)的噪聲水平。另外，我國現(xiàn)有深空磁探測載荷主要是磁通門磁強計，靈敏度為0.1～1 nT/Hz1/2量級，并且在零偏、漂移和溫度穩(wěn)定性等方面存在不足。在磁異常探測方面，目前廣泛應(yīng)用的是光泵磁強計，靈敏度為0.1～1 pT/Hz1/2量級，未來需要進一步提升靈敏度。SERF原子磁強計具有極高的理論靈敏度，有望為以上領(lǐng)域提供一種變革性的新技術(shù)。

SERF原子磁強計是在基于SERF原子自旋的超高靈敏磁場測量裝置基礎(chǔ)上研制的小型化、便攜式的高靈敏度磁場測量儀器。其原理與磁場測量裝置基本相同。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括小型堿金屬氣室、集成化無磁電加熱、小型磁補償線圈、光學組件、窄線寬半導體激光器、電子測控系統(tǒng)等。其中，小型堿金屬氣室作為磁強計核心敏感元件，用于敏感磁場變化；集成化無磁電加熱用于對堿金屬氣室加熱；小型磁補償線圈用于主動磁補償，為原子提供低磁場環(huán)境；原子磁強計主結(jié)構(gòu)用于安裝光學元件及氣室；窄線寬半導體激光器用于抽運和檢測原子自旋；電子測控系統(tǒng)用于磁強計輸出信號的采集和處理。

北航研究團隊在超高靈敏磁場測量裝置基礎(chǔ)上，2014年起先后開展了兩代高靈敏度小型化原子磁強計研制，2021年研制出的第二代原子磁強計在20～100 Hz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了2 fT/Hz1/2的靈敏度[42]，優(yōu)于國外公開報道的小型化原子磁強計靈敏度最好水平。基于現(xiàn)有基礎(chǔ)，計劃進一步提升性能指標，應(yīng)用于弱磁噪聲的計量測試領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)支撐深空探測和磁異常探測磁強計的研制。

2.2 微小型原子磁強計

隨著量子傳感技術(shù)的發(fā)展，基于磁、光與原子相互作用的原子磁強計為非侵入式功能性神經(jīng)影像學提供了變革性的測量手段?；赟ERF效應(yīng)的微小型原子磁強計作為核心傳感器，在面向人民生命健康的極弱磁成像領(lǐng)域和面向世界科技前沿的神經(jīng)科學與生命科學探索領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

一類典型的微小型原子磁強計的結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要包括原子磁強計探頭、電子測控系統(tǒng)、光源3部分。探頭部分主要包括微小型原子氣室、加熱膜、磁場線圈、光電探測器、光學元件以及主體支撐結(jié)構(gòu)等。其中，原子氣室是磁強計的敏感元件；無磁加熱膜用于提供高溫環(huán)境；微小型三維磁補償線圈用于補償環(huán)境磁場并提供調(diào)制磁場用于操控原子系綜。電子測控系統(tǒng)主要用于微小型磁強計表頭與信號處理系統(tǒng)的交互。光源以半導體激光器作為種子光源，經(jīng)過光纖分束后通過保偏光纖耦合至原子磁強計表頭，用于極化和檢測堿金屬原子自旋。

自2009年以來，美國普林斯頓大學、威斯康辛大學麥迪遜分校、桑迪亞實驗室、美國國家標準與技術(shù)研究院等多個單位開展了微小型原子磁強計的研制[43-46]。2016年，美國QuSpin公司在國際上率先研制出商用微小型原子磁強計產(chǎn)品，目前的第三代產(chǎn)品已實現(xiàn)探頭體積5 cm3，靈敏度優(yōu)于15 fT/Hz1/2的指標，其探頭采用內(nèi)置垂直腔面發(fā)射激光器的方案，并可實現(xiàn)雙軸或三軸測量的功能[47]。此外，近幾年美國Twinleaf、FieldLine等公司也研發(fā)出了微小型原子磁強計產(chǎn)品。

國內(nèi)北航研究團隊在超高靈敏磁場測量裝置基礎(chǔ)上，2017年起開展了微小型原子磁強計研制，2022年研制出的第二代微小型雙光束SERF原子磁強計，在20～100 Hz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了5 fT/Hz1/2靈敏度指標，探頭體積15 cm3，靈敏度優(yōu)于美國QuSpin公司的商用SERF原子磁強計?；诂F(xiàn)有基礎(chǔ)，計劃2026年研制出新一代陣列式微小型原子磁強計，探頭體積小于5 cm3，陣列探頭數(shù)256個，并進一步提升靈敏度。

此外，國內(nèi)浙江工業(yè)大學、北京大學、北京自動化控制設(shè)備研究所、中國科學院物理研究所、中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所等單位也開展了微小型原子磁強計的研制，并進行了極弱腦磁、心磁測量等方面的應(yīng)用研究。2022年，浙江工業(yè)大學研制出探頭體積2×2.6×13 cm3、靈敏度35 fT/Hz1/2的微小型原子磁強計[48]。北京大學和北京自動化控制設(shè)備研究院合作研制出探頭體積1.6×1.9×6.6 cm3，靈敏度15 fT/Hz1/2的微小型原子磁強計[49]。近年來國內(nèi)外微小型原子磁強計的發(fā)展將有力支撐極弱腦磁和心磁高分辨率成像醫(yī)療裝備的研制，助力攻克重大心腦疾病診療問題。

2.3 陣列式微小型原子磁強計的醫(yī)學應(yīng)用

老齡化將是今后較長一段時期中國的基本國情，2035年前后中國將進入重度老齡化社會階段[50]，預(yù)計2050年中國老齡化將達到峰值[51]。隨著老齡化程度的加深，帕金森病、阿爾茨海默病、心血管病、老年心衰等重大疑難心腦疾病帶來的社會問題日益顯著，嚴重影響老年人生活質(zhì)量，直接威脅人民生命健康。重大疑難疾病的攻克離不開先進的醫(yī)學成像技術(shù)。功能成像手段包括功能磁共振、PET等，目的是探測人體器官功能信息，目前還難以滿足醫(yī)學研究和臨床應(yīng)用的廣泛需求。

作為新一代功能信息成像技術(shù)，基于陣列式微小型原子磁強計的極弱磁醫(yī)學成像測量技術(shù)無需對人體外加磁場，而是檢測人體在自然狀態(tài)下產(chǎn)生的極弱磁場，具有完全被動、無接觸、對人體無損的特點，具有較高的靈敏度、分辨率和靈活性，可以實時高精度地監(jiān)測大腦、心臟及其他器官的功能活動并進行成像，全面獲取人體功能信息，為人體功能信息學的發(fā)展提供新型高性能技術(shù)手段。未來還可做成穿戴式設(shè)備，用于長期健康監(jiān)測，在疾病研究和臨床診斷方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

自2018年開始，北航研究團隊開展陣列式芯片化原子磁強計的醫(yī)學應(yīng)用研究，研制成功32通道極弱腦磁成像裝置和36通道極弱心磁成像裝置，如圖9所示。北航研究團隊已與山東大學齊魯醫(yī)院、浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院等國內(nèi)一流醫(yī)院合作開展極弱腦磁心磁臨床實驗研究。

極弱腦磁成像裝置實現(xiàn)了聽覺、視覺、體感等多種刺激誘發(fā)下的腦功能檢測[52-53]，可用于癲癇、帕金森病等重大疑難腦疾病研究，如圖10所示。極弱心磁成像裝置實現(xiàn)了心臟功能檢測[54]，可用于心肌缺血、心律失常等心臟疾病研究，如圖11所示。

2.4 高性能零磁空間

近幾十年來，部分原子自旋傳感器已經(jīng)突破原有的測量紀錄，在生物磁測量和基礎(chǔ)物理學研究等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，進一步的深化應(yīng)用對傳感器的磁屏蔽性能提出了嚴苛的要求。磁屏蔽技術(shù)主要基于坡莫合金、硅鋼片、錳鋅鐵氧體和鐵基非晶等高磁導率軟磁材料，利用磁路分流原理，實現(xiàn)對直流及低頻磁場屏蔽；基于銅、鋁等高電導率材料的渦流效應(yīng)，實現(xiàn)對高頻磁場屏蔽。

磁屏蔽系數(shù)是表征磁屏蔽性能的重要指標，直接反映了磁屏蔽艙對環(huán)境磁場的屏蔽效果。磁屏蔽系數(shù)可以通過磁屏蔽層的磁標勢和連續(xù)性方程進行求解，對于常見的單層球形磁屏蔽裝置和立方體式磁屏蔽裝置，已經(jīng)建立了成熟的解析模型。以磁屏蔽桶為代表的磁屏蔽設(shè)備可以為實驗儀器提供基本的測試磁環(huán)境保障，但空間狹??；而磁屏蔽艙為代表的磁屏蔽設(shè)備可以提供較大空間的極弱磁測試環(huán)境，可以滿足醫(yī)學應(yīng)用、活體生物長期測試以及基礎(chǔ)物理研究等多種需求。

國外磁屏蔽艙的研究較早，1962年美國德克薩斯州Socony Mobil Oil公司的Patton和Fitch設(shè)計建造了磁屏蔽艙，應(yīng)用于地球物理研究。1967年，美國芝加哥伊利諾大學的Cohen建立了一個屏蔽系數(shù)為400的磁屏蔽艙，并首次在屏蔽地磁場與外界干擾磁場后測量得到心磁圖[55]。1970年，德國VAC公司開展磁屏蔽艙技術(shù)的研究，并在1980年聯(lián)合德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)建立了BMSR-1重型磁屏蔽艙[56]，由1層鋁層和6層坡莫合金構(gòu)成，在0.1 Hz處屏蔽系數(shù)可以達到104。隨后在2000年，又建造了BMSR-2重型磁屏蔽艙，由1層鋁層和7層坡莫合金構(gòu)成，在0.01 Hz處被動屏蔽因子可達到75 000，在主動磁補償線圈下屏蔽因子可達到106，內(nèi)部1 m3空間剩磁小于1 nT，在很長一段時間內(nèi)保持指標性能的持續(xù)領(lǐng)先[57]。2011年，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)設(shè)計建造了目前世界上體積最大的磁屏蔽艙[58]，目標是滿足散裂中子源的中子自旋回波光譜儀的需求。2014年，德國慕尼黑工業(yè)大學(TUM)與多家單位聯(lián)合建設(shè)了用于微觀粒子固有電偶極矩測量的磁屏蔽艙，剩磁降低至0.3 nT以下，在0.001 Hz處屏蔽因子達到106[59]。

中國磁屏蔽艙研究起步稍晚，1988年中國地震局地球物理所與鋼鐵研究總院聯(lián)合設(shè)計建造類球形磁屏蔽艙，內(nèi)部剩磁低于20 nT，磁噪聲低于20 fT/Hz1/2，主要用于巖石磁性、生物磁圖的測量以及高精度磁強計的標定等[60]。2017年，北航研究團隊開展心腦磁測量和基礎(chǔ)科學研究，需要低剩磁與磁噪聲的磁場環(huán)境，因而開始了磁屏蔽艙的研究工作，基于硅鋼片設(shè)計搭建了第一代磁屏蔽艙，內(nèi)部剩磁約300 nT。如圖12所示，2020年北航研究團隊利用坡莫合金材料搭建了第二代新型高性能磁屏蔽艙，由3層坡莫合金和1層鋁構(gòu)成，并在艙體外部配備三軸方形地磁補償線圈。該屏蔽艙內(nèi)部中心1 m3區(qū)域內(nèi)剩磁低于10 nT，磁噪聲低于15 fT/Hz1/2。2022年，北航研究團隊基于坡莫合金材料開展了第三代磁屏蔽艙的研究，整體結(jié)構(gòu)根據(jù)不同功能采用模塊化的設(shè)計方案，保證高屏蔽性能的同時，極大地降低了建造成本，主要結(jié)構(gòu)包括磁屏蔽模塊、電磁屏蔽模塊、主框架模塊、消磁模塊和屏蔽房模塊等。其中磁屏蔽模塊采用3層坡莫合金層，電磁屏蔽模塊采用1層鋁板。磁屏蔽艙內(nèi)部中心1 m3區(qū)域剩磁低于1 nT，在30～100 Hz頻段內(nèi)磁噪聲低于5 fT/Hz1/2。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學、中國船舶重工集團第710研究所和鋼鐵研究總院等單位也開展了相應(yīng)研究，取得了顯著的研究成果。

2021年，北航研究團隊牽頭獲批國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的科研與建設(shè)任務(wù)。如圖13所示，本設(shè)施擬建成空間最大、性能最高的大型零磁空間和磁屏蔽艙，提供極端弱磁場環(huán)境并建設(shè)高性能科學裝置與儀器，為科研人員提供極限測量手段，服務(wù)于前沿科學探索、國家重大戰(zhàn)略需求、生命科學及醫(yī)學研究等領(lǐng)域。

如圖14所示，本設(shè)施將構(gòu)建開放共享的研發(fā)、測試、應(yīng)用和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的重大科技基礎(chǔ)綜合體系，具體工程目標和指標如下：

1)建設(shè)國際上空間最大、剩磁最小的零磁空間，實現(xiàn)環(huán)境磁場的有效屏蔽，其中核心區(qū)面積約200 m2，體積約1 000 m3，剩磁指標優(yōu)于1 nT。

2)在零磁空間內(nèi)建設(shè)國際上性能最高的極端探索艙(磁噪聲fT/Hz1/2量級)，具備為各類基礎(chǔ)研究和應(yīng)用測試提供極端零磁環(huán)境的能力。

3)在磁屏蔽艙內(nèi)建設(shè)指標持續(xù)領(lǐng)先的極弱磁場與慣性測量極限靈敏度探索裝置，同時開展各類神經(jīng)科學腦科學等基礎(chǔ)科學研究。

3 零磁科學展望

基于“零磁”極端環(huán)境條件，依托超高靈敏磁場測量極限表征手段，利用超高精度弱磁精密調(diào)控方法，開展零磁醫(yī)學、零磁生物學、零磁化學和零磁材料學等領(lǐng)域基礎(chǔ)科學研究，有望產(chǎn)生一系列從“0”到“1”的原創(chuàng)性科學新發(fā)現(xiàn)，揭示物質(zhì)世界的新機理和新規(guī)律，進而催生出顛覆性新技術(shù)和新方法，服務(wù)生產(chǎn)生活。

3.1 零磁醫(yī)學

零磁醫(yī)學研究，即在“零磁”極端環(huán)境條件下開展醫(yī)學研究，是人體功能信息檢測與調(diào)控的重大技術(shù)創(chuàng)新。圍繞基礎(chǔ)、臨床、干預(yù)等多個方面，開展零磁醫(yī)學研究，有望產(chǎn)生原創(chuàng)性成果，具有影響醫(yī)學未來發(fā)展方向的潛力。

在基礎(chǔ)研究方面，可以研究零磁環(huán)境下細胞、組織、器官、系統(tǒng)等的機能變化。借助超高靈敏極弱磁場測量等多種技術(shù)手段，在多個維度開展全面的基礎(chǔ)研究，探究零磁環(huán)境對人類全生命周期的影響，獲取神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)信息，探索生命活動中磁現(xiàn)象的本質(zhì)以及磁場對生物體作用的內(nèi)在機理，助力解決生命科學重大難題。

在臨床研究方面，開展零磁環(huán)境下人體極弱磁場成像研究，實現(xiàn)對人體功能信息的成像檢測，為心、腦、腫瘤等功能性疾病的診斷和治療提供參考。構(gòu)建人體磁圖功能信息庫，開展磁圖與多模態(tài)醫(yī)學影像比較分析與融合研究，揭示人類疾病的極弱磁信號特征規(guī)律，提供定量的功能信息指標，發(fā)現(xiàn)特異性的影像標記物，全面參與疾病的預(yù)防、診斷、治療、評估全流程，建立人體功能信息學。

基于以上基礎(chǔ)和臨床研究，開展零磁環(huán)境下人體極弱磁場干預(yù)研究，探究零磁環(huán)境下主動施加極弱磁場干預(yù)對人體功能的影響，形成相應(yīng)的極弱磁場精準調(diào)控方法，結(jié)合極弱磁場成像引導技術(shù)，實現(xiàn)對人體功能的精準調(diào)節(jié)以及對疾病的無創(chuàng)治療。

3.1.1 神經(jīng)細胞工作機理和腦科學

大腦中共有約800億個神經(jīng)細胞，神經(jīng)細胞之間通過電信號傳遞信息，并伴生磁場[61]。長久以來，神經(jīng)細胞都工作在地磁環(huán)境下，受到地磁場環(huán)境的影響。當環(huán)境磁場改變后，神經(jīng)細胞的電生理活動如何改變以及相關(guān)機制的研究尚不成熟。通過地磁環(huán)境和近零磁環(huán)境的對照研究，認識磁場對人類和動物在行為[62-63]、神經(jīng)傳導[64-65]等方面的影響，進而探索神經(jīng)細胞工作機理，有望打開人類認識大腦的窗戶，有利于進一步“認識腦”“發(fā)展腦”“保護腦”。

目前近零磁環(huán)境下神經(jīng)細胞工作機理和腦科學研究還遠遠不足，一個重要原因是缺少有效的極弱神經(jīng)信號測量手段。而基于SERF原子磁強計的極弱磁場測量技術(shù)依靠其高靈敏度、高時空分辨率、無接觸、配置靈活等優(yōu)勢，成為神經(jīng)信號測量的利器。通過發(fā)展可穿戴的極弱腦磁測量技術(shù)(如圖15所示)，可以探索高級認知活動的各個時間進程，發(fā)掘各腦區(qū)協(xié)同作用機制[66]，為研究大腦發(fā)育與功能發(fā)展、人在多種狀態(tài)下的認知活動提供了可能[3,67]。在基礎(chǔ)神經(jīng)科學方面，將腦磁測量技術(shù)與光遺傳學、細胞電生理等技術(shù)結(jié)合，探究近零磁環(huán)境下皮層-皮層、皮層-皮層下、丘腦皮層環(huán)路的作用機制，揭示腦的工作機理，促進對大腦在振蕩、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)關(guān)系方面的功能組織方式的理解。在認知神經(jīng)科學方面，在近零磁環(huán)境下對神經(jīng)信號進行長時間探測，探究認知活動的機理，增進對感知、注意力、記憶、語言和執(zhí)行控制等認知過程的基本理解。在臨床神經(jīng)科學方面，探索近零磁環(huán)境下與帕金森病、阿爾茨海默病、自閉癥譜系障礙、精神分裂癥、多動癥、癲癇和外傷性腦損傷等疾病相關(guān)的腦功能特征，揭示近零磁環(huán)境對大腦功能區(qū)的影響，為疑難腦疾病研究和臨床診療提供新思路。

3.1.2 基于磁信號表征的心臟功能

重大心臟疾病直接威脅人類生命，嚴重影響人類健康安全，全球已有四分之一的人口罹患心血管疾病或者動脈硬化相關(guān)性疾病，中國心血管病患病率仍處于上升階段，《中國心血管健康與疾病報告2020》顯示，中國心腦血管疾病患病人數(shù)約3.3億。心血管病導致的死亡占居民疾病死亡的40%以上，居各類疾病首位[68]。在心血管突發(fā)事件中，早期發(fā)現(xiàn)與早期識別非常重要，目前臨床上常用的心臟功能測量裝置主要為心電圖儀。與心電測量相比，心磁測量受組織傳導影響小，靈敏度和分辨率高，蘊含的信息豐富，且無需與人體接觸，是一種超高靈敏心臟功能檢測技術(shù)，測量裝置如圖16所示?；诖判盘柋碚鞯男呐K功能研究可廣泛應(yīng)用于冠狀動脈疾病、心律失常疾病、心肌性異常疾病和胎兒先天性心臟病的早期篩查和病灶定位[69-71]。

超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)和精密磁場操控技術(shù)的發(fā)展，對于揭示復雜心臟疾病發(fā)生機理以及心臟疾病無創(chuàng)診療具有重大意義。有創(chuàng)的冠狀動脈血管造影是目前冠狀動脈疾病診斷的金標準，但高劑量的輻射和并發(fā)癥帶來風險。而冠狀動脈大分支和微循環(huán)灌注異常導致的心肌細胞缺血或梗死會導致細胞形態(tài)和功能發(fā)生異常，缺血區(qū)細胞組織電導率相應(yīng)改變，影響磁性信號的改變，使磁信號的特征值發(fā)生變化，為心磁檢測提供了基本前提；在功能學方面，缺血導致的電生理變化將直接反映在磁性信號的改變，心磁信號可以反應(yīng)相關(guān)異常。因此，在進行有創(chuàng)冠脈造影之前，可以運用極弱心磁測量技術(shù)快速、準確、安全、耐受地評估冠脈功能損傷程度。此外，可針對長時間的近零磁環(huán)境對心肌細胞收縮及舒張功能等心臟功能的影響開展研究，探明心臟疾病發(fā)病機理，探究磁場干預(yù)對心臟疾病的治療作用，形成基于精密磁場操控的心臟疾病治療新方法。

3.1.3 基于磁信號表征的腫瘤研究

腫瘤等病癥的早期診斷一直是國際醫(yī)學界公認的難題之一。臨床癥狀檢查、影像學檢查、血清標記物、組織病理學和細胞學診斷等目前常用診斷方法對腫瘤細胞的敏感度較低，導致大部分腫瘤患者被發(fā)現(xiàn)時已進入晚期，失去了手術(shù)根治的機會[72]。離子通道和轉(zhuǎn)運體激活與癌癥有關(guān)[73]，例如，鉀通道的過度表達與許多癌細胞系密切相關(guān)[74]，轉(zhuǎn)移癌細胞通常比正常細胞的去極化程度更高[75]。離子通道的改變會影響離子流動，進而造成磁場變化。腫瘤的發(fā)生發(fā)展經(jīng)過輕中重度不典型增生、原位癌、浸潤癌等多個階段，伴隨著細胞磁場的變化。因此，可以利用腫瘤細胞和正常組織細胞周圍的磁場差異，基于超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)進行腫瘤無創(chuàng)檢測，這對于腫瘤早期診斷和治療具有重要臨床應(yīng)用意義。

基于磁信號表征的腫瘤研究，首先可以在細胞和組織層面上開展，檢測和分析正常細胞和組織與腫瘤細胞和組織之間磁信號的差別；進而可以開展腫瘤病理生理學跟蹤研究，即測定不同階段、不同病理類型的腫瘤細胞和組織的磁信號，探究磁信號規(guī)律和機理。如圖17所示是腫瘤細胞極弱磁測量研究裝置，可用于各類正常細胞及腫瘤細胞的極弱磁場的測量。在臨床研究方面，通過收集患者的腫瘤影像學信息、腫瘤標志物信息等臨床數(shù)據(jù)，結(jié)合腫瘤組織磁信號變化，利用統(tǒng)計學方法分析患者臨床數(shù)據(jù)與磁信號變化之間的相關(guān)性，實現(xiàn)基于磁信號檢測的腫瘤診斷，并評估其靈敏度和特異性。還可將極弱磁測量手段與現(xiàn)有的生物標記物方法結(jié)合[76-77]，提升傳統(tǒng)檢測方法的性能。在此基礎(chǔ)上，研制腫瘤極弱磁檢測醫(yī)療裝備，實現(xiàn)基于極弱磁測量與成像的腫瘤在體診斷和定位，具有精準檢測和對人體無損的巨大優(yōu)勢，有望成為腫瘤早期診斷、良性與惡性腫瘤區(qū)分、腫瘤臨床分期、檢測治療反應(yīng)、檢測復發(fā)等的重要手段。還可以利用精密磁場操控技術(shù)，研究磁場干預(yù)對腫瘤的影響，如利用頭戴式振蕩磁場發(fā)射裝置，對腦膠質(zhì)瘤患者進行磁刺激干預(yù)治療[78]。

3.1.4 基于磁信號表征的人體經(jīng)絡(luò)穴位信息

中醫(yī)藥為中華民族的繁衍昌盛做出了不可磨滅的貢獻，但由于技術(shù)條件的限制，中醫(yī)藥治療標準規(guī)范不一，臨床診斷和治療價值難以量化，機理解釋不足，在一定程度上限制了其發(fā)展。經(jīng)絡(luò)穴位是中醫(yī)的重要組成部分，中醫(yī)理論認為經(jīng)絡(luò)穴位處存在特殊的磁場，但因缺乏客觀的可視化證據(jù)，其作用機制尚不明確，未被完全科學地解釋，治療效果難以量化評估。極弱磁場測量技術(shù)具有高靈敏度、高時空分辨率、無創(chuàng)安全等優(yōu)勢，可用于檢測穴位、經(jīng)絡(luò)等的極弱功能信號。國內(nèi)外利用基于超導量子干涉儀的磁測量技術(shù)進行了經(jīng)絡(luò)穴位功能信息研究。例如，有研究證明了針刺右側(cè)足三里穴產(chǎn)生的感傳過程，在胃經(jīng)伏兔穴和腦中穴記錄到腦磁信號和穴磁信號振蕩呈有序變化[79]。此外，許多學者開展了針刺誘發(fā)的腦磁信號溯源[80]、時域特征[81]、頻域特征[82]、功能連通性[83]的研究。但目前近零磁環(huán)境下經(jīng)絡(luò)穴位療效和作用機理的系統(tǒng)定量研究仍是空白。

利用極弱磁場測量技術(shù)對經(jīng)絡(luò)穴位刺激誘發(fā)的人體極弱磁信號的檢測能力，開展中醫(yī)穴位、經(jīng)絡(luò)機理和中醫(yī)生理及干預(yù)效應(yīng)測量與評估方法研究，可為中醫(yī)臨床輔助診斷和治療提供客觀評價方法技術(shù)和工具，為中醫(yī)藥關(guān)鍵技術(shù)裝備研制提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，支撐中醫(yī)與現(xiàn)代科技深度融合形成“理論-系統(tǒng)建模-技術(shù)工具-應(yīng)用”的發(fā)展閉環(huán)。針對中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展中對臨床診療的機理及定量評價方法的研究需求，可開展基于極弱磁信號量化表征的中醫(yī)經(jīng)絡(luò)穴位機理和干預(yù)效應(yīng)研究、中醫(yī)生理效應(yīng)研究、疾病的中醫(yī)經(jīng)絡(luò)病機效應(yīng)研究、針灸經(jīng)絡(luò)穴位中藥干預(yù)等作用效應(yīng)研究、中西醫(yī)融合評價研究。通過建立極弱磁中醫(yī)經(jīng)絡(luò)穴位健康研究平臺，形成中醫(yī)生理、病機和干預(yù)作用效應(yīng)的極弱磁檢測基本規(guī)范。突破經(jīng)絡(luò)穴位檢測關(guān)鍵技術(shù)，研制基于超高靈敏極弱磁場測量的穴位針刺、經(jīng)絡(luò)針刺研究裝備，建立大型經(jīng)絡(luò)穴位磁信息數(shù)據(jù)庫，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析手段，進行經(jīng)絡(luò)穴位機理研究、整體認知、干預(yù)歸經(jīng)等生理及干預(yù)效應(yīng)檢測與評估，為中醫(yī)經(jīng)絡(luò)穴位診療提供客觀定量評價依據(jù)和理論技術(shù)基礎(chǔ)，推動中醫(yī)藥的現(xiàn)代化。

3.1.5 磁刺激干預(yù)的機理分析和定量研究

磁刺激干預(yù)是利用人造磁場施加于人體從而達到治療和保健目的的一種方法。該方法操作簡單、無創(chuàng)無痛，是一種有應(yīng)用前景的非藥物治療和保健方法，對高血壓、關(guān)節(jié)炎、頭痛、失眠、冠心病、胃腸炎、面肌痙攣、扭挫傷、頸椎病、抑郁癥等均有效果[84]，近年來也應(yīng)用在腫瘤的治療中[85]。但目前磁刺激干預(yù)基礎(chǔ)研究薄弱，無嚴格的臨床使用規(guī)范，量效關(guān)系和安全性尚未得到系統(tǒng)的研究，影響了對其作用效果的量化和評估[86-87]。

傳統(tǒng)的磁刺激干預(yù)均為在地磁環(huán)境下實施，施加的磁場為顯著強于地磁場的mT量級。而在近零磁環(huán)境下，由于消除了地磁場對磁刺激效應(yīng)的影響，有望精確評估和提升磁刺激干預(yù)作用，以及利用精密磁操控技術(shù)實現(xiàn)對人體極弱磁場的精準干預(yù)，可能成為人體功能調(diào)控的有效手段。針對基礎(chǔ)研究薄弱的問題，利用極弱磁場測量技術(shù)，精確測定正常和異常情況下的人體磁信號，以測定的信號差異程度為基礎(chǔ)，結(jié)合磁信號調(diào)制技術(shù)和醫(yī)學臨床知識實現(xiàn)定量的人造磁場強度預(yù)判，以科學測量手段為依托，研究安全有效的磁刺激干預(yù)技術(shù)。針對不同疾病不同部位的磁信號特點，結(jié)合臨床經(jīng)驗，設(shè)計針對不同疾病施加磁刺激干預(yù)的醫(yī)學技術(shù)和臨床方案，構(gòu)建近零磁環(huán)境下磁刺激干預(yù)理論。

3.2 零磁生物學

在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的支持下，將構(gòu)建大型“零磁”空間和極限弱磁測量手段，為開展生物學領(lǐng)域長期全面的實驗與觀測提供優(yōu)越的條件保障，實現(xiàn)對近零磁環(huán)境下細胞、系統(tǒng)、個體等不同層級重要生命活動變化過程的持續(xù)監(jiān)測，揭示背后的變化機理，建立零磁生物學的基礎(chǔ)理論。

3.2.1 細胞表面離子通道物質(zhì)輸運

作為生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位，細胞構(gòu)成了細菌、植物、動物等多種生命形式。細胞膜上的離子通道具有選擇性，承擔著物質(zhì)轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)換和信號傳輸?shù)戎匾饔?，這些信號傳遞高度依賴于生物離子通道的高速離子傳輸[88]。生物離子通道這種小尺寸、獨特的結(jié)構(gòu)和表面電荷分布等，導致離子和分子的定向有序集團運動，實現(xiàn)超低阻抗輸運(如圖18所示)，這就是量子限域超流現(xiàn)象。將量子限域超流概念引入生物學，有望使其在單分子生物傳感等領(lǐng)域得到應(yīng)用[89]。

量子限域超流體這一創(chuàng)新性概念有望為神經(jīng)科學和腦科學中神經(jīng)信號傳輸?shù)葐栴}的研究提供新的思路，可以解釋離子和分子在離子通道中的量子化的快速傳輸狀態(tài)，但是目前尚缺乏對這一理論有效的測量手段。超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)能夠?qū)﹄x子流動引起的磁信號進行精密測量，通過細胞磁場測量等原創(chuàng)性研究，對量子限域超流進行探測，深入研究其機理。利用精密磁場操控技術(shù)，可以對外界磁場對離子量子限域超流的影響開展深入研究。以上技術(shù)將為細胞表面離子通道物質(zhì)輸運工作機制的研究開辟嶄新途徑。

3.2.2 磁場對植物生長育種的影響

陽光、空氣、水和磁場等是植物發(fā)育的關(guān)鍵要素，在植物進化過程中，磁場作為環(huán)境因子被整合到植物適應(yīng)環(huán)境變化的機制中。磁場相關(guān)的植物生物學效應(yīng)背后的作用機理依然是一個未解之謎。通過研究磁場對植物生長育種的影響，有望進一步探索植物生長機制，發(fā)明新型的磁場誘變育種方式。例如，地球磁場可能通過刺激植物激素影響種子萌發(fā)，加速種子細胞中蛋白質(zhì)的合成來加速發(fā)芽[90]；而微弱磁場環(huán)境可能減弱光抑制擬南芥下胚軸伸長的作用[91]，并且這種促進下胚軸生長的效應(yīng)在黑暗條件下消失，證明了這種磁生物學效應(yīng)與光的作用存在聯(lián)系[92]。目前，由于缺乏有效的研究手段，植物感知磁信號并將信號轉(zhuǎn)化為一系列生理生化響應(yīng)的機制仍是一個懸而未決的問題。

近零磁環(huán)境、超高靈敏極弱磁場測量與精密磁場操控技術(shù)為研究植物生長育種背后的機理機制提供了新的技術(shù)手段。通過鑒定植物細胞中發(fā)揮關(guān)鍵作用的磁性分子，建立高效的靶標分子篩選體系，探明其產(chǎn)生機制、功能作用、在磁場影響下的理化行為具有重要意義，有望構(gòu)建植物分子磁學理論。通過對比近零磁環(huán)境、地磁環(huán)境、以及調(diào)控磁場環(huán)境對植物生長育種的影響，探明植物具有磁場特異性的生物學過程。探索近零磁環(huán)境和調(diào)控磁場環(huán)境誘發(fā)植物遺傳變異的可能性與可行性，研發(fā)針對植物生長發(fā)育表型和生理生化過程的磁場特異性調(diào)控技術(shù)，綜合利用以上技術(shù)實現(xiàn)植物新品種培育。

3.2.3 動物磁場導航的機理

地磁場要素(地磁偏角、傾角和強度)為生物的遷徙、覓食等過程提供定位導航信息，對鳥類、哺乳動物、魚類和昆蟲的生長繁衍起到關(guān)鍵作用。動物如何感知地磁場并利用地磁信息進行長距離遷徙和導航是自然界中引人注目的問題。近年來國際學術(shù)界圍繞動物磁場導航逐步開展了一些研究，發(fā)現(xiàn)了磁小體對于趨磁細菌磁場感應(yīng)能力的作用[93]、海龜遷徙能力與地磁場和磁傾角的相關(guān)性[94]、外界磁場對黏蟲的發(fā)育、飛行和遷移的影響[95]，但動物磁場導航的機理仍然有待研究。

利用近零磁環(huán)境和超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)，開展零磁生物學研究，可以深入探索動物信息傳遞與處理的機制，從而科學地理解動物磁場導航的作用機理，揭示磁場對動物的控制機制。該研究不僅在基礎(chǔ)研究中具有重要意義，也將服務(wù)于生物磁控技術(shù)和新一代磁導航技術(shù)的需求。在近零磁環(huán)境下，發(fā)揮精密磁場操控和長時間觀測等優(yōu)勢，可以開展一系列動物磁場導航研究，例如研究近零磁環(huán)境對各類動物遷移的影響；研究磁場如何引導動物進行遷徙，以及如何在動物規(guī)律性遷徙活動中實現(xiàn)導航功能，發(fā)現(xiàn)動物磁場導航的生物學規(guī)律；研究通過磁場調(diào)控改變動物遷移路線的方法。該項研究有望發(fā)現(xiàn)動物依靠磁場導航不迷失方向的生物學原理，揭示動物遷徙之謎。

3.2.4 磁場對胚胎細胞發(fā)育的影響機制

在生命發(fā)育生長的過程中，物質(zhì)的轉(zhuǎn)運、信息的傳遞大都伴隨著離子流動，這種離子流動受到磁場的影響。磁場可以影響動物干細胞的生長[96]，還會影響胚胎細胞的發(fā)育。在多個磁場強度水平下對海鱒魚胚胎和仔魚的研究揭示了不同強度的外界磁場與海鱒魚發(fā)育的相關(guān)性，表明磁場不僅影響其卵子中的水分交換、胚胎的心率和呼吸、定向反應(yīng)、空間定向等功能，還影響了胚胎和仔魚體內(nèi)黑色素細胞的出現(xiàn)[97]。

然而，磁場對胚胎細胞發(fā)育的影響機制尚不明晰。磁場影響胚胎細胞發(fā)育不僅可能與磁場的強度、分布及頻率有關(guān)，也可能與胚胎細胞的種類和層次有關(guān)。另外，磁場對胚胎細胞的作用存在一定的作用強度域、時間域和場放大效應(yīng)。而且細胞是高度復雜的有序結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以修復自身的損傷，所以當磁場作用于細胞時，上述的幾種機制是共同起作用的。在近零磁環(huán)境中，發(fā)揮精密磁場操控和長時間觀測的優(yōu)勢，可以開展動物胚胎在nT～fT量級微弱磁場中發(fā)育情況的研究，監(jiān)測近零磁環(huán)境對各類動物胚胎發(fā)育速度的影響，發(fā)現(xiàn)胚胎發(fā)育的規(guī)律，研究磁場調(diào)控各類干細胞實現(xiàn)器官組織精細分化的作用，探索通過磁場調(diào)控改變分化方向，為發(fā)育缺陷類疾病的孕期干預(yù)提供新思路，有望揭示胚胎細胞發(fā)育生長機制。

3.3 零磁化學

3.3.1 磁場對離子與等離子動力學特性的影響

離子動力學特性，即反映離子受力與離子運動之間關(guān)系的特性。化學反應(yīng)中離子動力學特性不僅取決于粒子間的相互作用，還取決于粒子與外場間的相互作用。磁場可以通過無接觸能量傳遞的形式作用于原子核與核外電子，粒子由于外部磁場驅(qū)動，改變了其電子加熱機制和帶電粒子輸運性能等特性，因此外部磁場會影響離子動力學特性。例如，由于磁場對電化學反應(yīng)中溶液的離子具有攪拌作用，因此磁場會增強離子在溶液中的移動性，同時增大其擴散系數(shù)[98]。但目前的研究側(cè)重于較強磁場環(huán)境，針對弱磁場影響離子動力學特性的研究較少。

由陽離子、中性粒子、自由電子等多種不同性質(zhì)的粒子所組成的等離子體的動力學特性受外界磁場影響且可以通過外界磁場進行調(diào)控。例如，在真空斷路器領(lǐng)域，通過操控縱向或橫向磁電極，可相應(yīng)提高真空斷路器的開斷性能[99]。如圖19所示，在電弧電流相同的情況下，隨著橫向外加磁場的增大，等離子體壓力分布開始出現(xiàn)偏移，并且偏移距離隨著外加磁場的增強而增大[100]。但針對近零磁環(huán)境下，弱磁場對等離子體動力學特性的影響研究較少，機理目前尚不明晰。

基于超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)，開展近零磁環(huán)境下離子和等離子體動力學特性的研究，建立量化分析模型，有望揭示輝光放電、流注放電、電弧發(fā)展等現(xiàn)象的機理。此外，在近零磁環(huán)境下，進一步將磁場精密測量技術(shù)和弱磁場精密操控技術(shù)結(jié)合，開展離子反應(yīng)與等離子體放電過程精密控制方法研究，有望為等離子體磁場操控和離子反應(yīng)控制開辟新的研究途徑。

3.3.2 磁場對生物酶活性的影響

生物酶作為介導信號傳導與驅(qū)動離子跨膜流動的重要大分子物質(zhì)，其構(gòu)象與活性在磁場作用下會發(fā)生變化，進而影響生物的各種代謝過程。改變磁場類型(恒定磁場、脈沖磁場、旋轉(zhuǎn)磁場等)、磁場強度、梯度、頻率與曝磁時長等參數(shù)，可研究磁場作用下生物酶分子構(gòu)象和反應(yīng)動力學的變化，進而探討磁場影響生物酶活性的作用機理。已有諸多研究結(jié)果表明，低頻弱磁場對動植物的生物酶活性均存在影響，同時對人體某些mRNA的活性也會產(chǎn)生影響。如圖20所示，40 Hz、5 mT的低頻電磁場會增強中風后患者過氧化氫酶mRNA的表達水平[101]，從而增強機體的抗氧化防御系統(tǒng)，說明低頻電磁場通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激，從而提高中風病癥的治療效果。低頻電磁場會對牛視網(wǎng)膜中桿外體節(jié)的腺苷酸激酶的活性產(chǎn)生作用，頻率75 Hz、強度125 μT的電磁場會使得桿外體節(jié)膜、盤膜產(chǎn)生的ATP降低約54%[102]。對于植物生物酶活性，在0.l mT的磁場作用下，子葉完全分開的黃瓜幼苗中過氧化氫酶和谷胱甘肽還原酶的活性都有所提高，使得幼苗生長加快且壽命延長[103]。

目前磁場對生物酶活性影響的研究范圍多為μT～mT量級，對于極限弱磁環(huán)境，特別是nT～fT量級磁場對生物酶活性的影響機理尚需研究。另外，目前不同頻段、不同類型的外界電磁場對不同種類的生物酶活性的影響機理尚不明晰，磁場對于生物酶構(gòu)象與酶促反應(yīng)動力學的影響研究需要更加有效的精密測量手段。因此，利用超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)與近零磁環(huán)境，可以探索不同類型磁場和曝磁時長對不同種類生物酶活性的作用機理。此外，通過精密操控外加磁場，開展生物酶活性弱磁調(diào)控研究，有望揭示極弱磁場影響下細胞代謝、生長、癌變等機制特性，發(fā)展磁場精密操控細胞代謝的新方法。

3.4 零磁材料學

3.4.1 有機半導體材料的磁場效應(yīng)

有機半導體材料的光致發(fā)光、電致發(fā)光、注入電流和光電流對于外加磁場能夠產(chǎn)生明顯的響應(yīng)，即產(chǎn)生有機半導體的磁場效應(yīng)。有機半導體材料的磁場效應(yīng)與激發(fā)態(tài)電子-空穴對的形成和演化過程中的自旋構(gòu)型、自旋關(guān)聯(lián)和自旋翻轉(zhuǎn)密切相關(guān)[104]。對于光致發(fā)光的磁場效應(yīng)，0.09 T幅值的磁場在不同的施主/受主濃度比的聚合物薄膜中，可不同程度地影響ECZ (N-ethylcarbazole) 和DMTP (Dimethyl Terephthalate) 的電子供體和受體對的熒光強度[105]。針對光電流的磁場效應(yīng)，由于弱磁場可以改變蒽晶體的光電流，因此在有機半導體材料或有機復合材料中可以觀測到光電流的磁場效應(yīng)。例如，隨外界磁場的增大，N-乙烯基咔唑薄膜瞬態(tài)光電流強度出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象[106]。

外加弱磁場會對有機半導體材料的性能產(chǎn)生顯著影響，而目前磁場影響的研究范圍多為mT及以上量級，尚缺乏在nT～fT量級極弱磁環(huán)境下的深入研究。因此，應(yīng)用超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)，在近零磁條件下，探究磁場影響半導體材料激發(fā)態(tài)和電荷傳輸過程的作用機理，量化表征有機半導體材料的磁場效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，利用精密電磁操控技術(shù)，進一步開展有機半導體材料的光致發(fā)光、電致發(fā)光、注入電流和光電流效應(yīng)等精密磁場控制研究，有望改善半導體器件的能量轉(zhuǎn)換和光學傳輸效率，支撐新一代高效能半導體器件的發(fā)展。

3.4.2 長時間弱磁環(huán)境下巖石與地質(zhì)演化機制

巖石磁學是古地磁學、環(huán)境磁學和磁法勘探的基礎(chǔ)。巖石磁性主要由巖石中鐵磁性和亞鐵磁性等強磁性礦物(鐵的氧化物和鐵的硫化物)引起。磁鐵礦和赤鐵礦是地殼中最常見的2種磁性礦物，識別巖石或沉積物中這2種礦物的特性，對研究古地磁環(huán)境及其演化規(guī)律具有重要意義。通過測量剩余磁化強度、磁化率、磁滯參數(shù)等巖石磁學性質(zhì)，分析復雜磁性礦物的磁疇狀態(tài)與成礦過程，進而揭示巖石磁性信息與地質(zhì)事件的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。

對于地球巖石磁性測量，常用的測量儀器為Quantum Designs公司的商業(yè)低溫磁強計(MPMS XL-5 EverCool)[107]，該儀器可以在低溫下將自然地質(zhì)樣品的整體磁性分解為單獨的磁性礦物成分。如圖21所示，通過剩磁試驗檢測各種礦物樣品和混合樣品的磁性行為，進而提出一種能夠在不需要先驗知識的前提下，全面鑒定塊狀樣品中磁性礦物種類的方法。圖中：M為磁化強度；M(1.5T)為1.5T磁化強度；μ0H為真空磁通密度。

除了地球巖石磁性研究，外星球巖石磁性及地質(zhì)演化機制的研究同樣意義重大。月球作為深空領(lǐng)域研究最多的對象，已有大量學者針對其地表弱磁場分布進行探測。月球正面的磁場強度較弱，一般在0.75～6.0 nT之間[108]，月球背面的高地磁場較強，通常大于100 nT。月表弱磁場一般分布于近期形成的撞擊坑或撞擊盆地，月球正面部分區(qū)域的磁場強度分布如圖22所示[109]。月球近側(cè)已知最強磁異常(42 nT，18.6 km高)的來源大致與笛卡爾山脈的高反照率區(qū)域一致，該區(qū)域位于阿波羅16號著陸點東南偏南60 km處。因此，通過測量月球表面磁場分布，有望揭示月球表面地質(zhì)演化規(guī)律和隕石撞擊活動。

目前礦物磁性測量與地表磁性測量的精度有限，一定程度上限制了弱磁環(huán)境下地質(zhì)演化規(guī)律的探索。因此，需要在近零磁環(huán)境中，應(yīng)用超高靈敏極弱磁場測量技術(shù)，開展一系列巖石鐵磁物質(zhì)磁性精準測量與單獨物質(zhì)的精細識別，進而探索巖石形成機制、地質(zhì)歷史時期里地球的關(guān)鍵內(nèi)部演化過程。另外，磁場環(huán)境不僅對地球巖石中鐵磁性和亞鐵磁性等強磁性礦物的形成存在影響，也對星體地質(zhì)演化存在影響。因此在極弱磁場條件下，開展長時間磁場調(diào)控下的磁性礦物質(zhì)變化過程的精密測量，探索磁場作用下星體巖石演化機理，進而揭示月球等星體的起源和地質(zhì)變化過程，有望構(gòu)建近零磁環(huán)境地質(zhì)演化理論。

4 總 結(jié)

基于原子自旋效應(yīng)的極弱磁場和慣性測量裝置，已經(jīng)實現(xiàn)了超越傳統(tǒng)測量手段的測量靈敏度，進一步突破限制靈敏度提升的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并同步開展小型化應(yīng)用和“零磁”空間研究，將為醫(yī)學應(yīng)用、基礎(chǔ)物理研究、國家戰(zhàn)略安全和零磁科學研究帶來顛覆性的研究手段。

在醫(yī)學應(yīng)用方面，瞄準帕金森病、阿爾茨海默病、心力衰竭、房顫等重大疑難心腦疾病，突破超高靈敏人體極弱磁場測量、高時空分辨率高清極弱磁成像等技術(shù)難題，反演估計腦內(nèi)神經(jīng)活動源，探索心腦發(fā)育規(guī)律和信號調(diào)控機制，揭示心腦退行性和發(fā)育性疾病的發(fā)病機理，為重大心腦疑難病癥的早期診斷提供有效手段，實現(xiàn)心腦功能成像研究領(lǐng)域的技術(shù)變革，有望帶來我國心腦疾病基礎(chǔ)研究和臨床研究的新突破。

在基礎(chǔ)科學研究方面，瞄準前沿基礎(chǔ)物理學的重大科學問題，探索光與原子相互作用機理，挑戰(zhàn)超高靈敏極弱磁場和慣性測量指標紀錄，開展EDM、異常自旋相互作用力、暗物質(zhì)、強CP對稱性破壞和CPT對稱性破缺等探測研究，有望支撐超標準模型的建立，解答宇宙起源等謎題。瞄準生命科學中的重大科學問題，深入研究極弱神經(jīng)信號的產(chǎn)生和傳導機制等，有望揭示神經(jīng)科學和腦科學中腦認知功能的機理等重大命題，助力重大科學發(fā)現(xiàn)。

在國家戰(zhàn)略需求方面，聚焦中國新一代超高精度慣性導航和磁異常探測等國家安全重大科技問題，深入研究原子自旋系綜精密閉環(huán)操控方法和誤差傳遞與溯源機制，提升原子自旋慣性和極弱磁場的長期高靈敏測量能力，建成后有望支撐我國戰(zhàn)略級超高精度慣性導航技術(shù)、超高靈敏磁異常探測技術(shù)的跨代發(fā)展。聚焦行星和深空環(huán)境探測的重大戰(zhàn)略需求，研制高靈敏原子磁強計，探測行星表面土壤、巖石的微弱磁性和深空極弱磁環(huán)境，有望解釋星體構(gòu)造、星體和宇宙演變過程等重大科技問題。

在零磁科學研究方面，原創(chuàng)基礎(chǔ)研究是國家科技發(fā)展的基石，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，國際競爭向基礎(chǔ)研究競爭前移，加強從“0”到“1”的基礎(chǔ)研究，開展零磁科學研究探索，聚焦近零磁環(huán)境下生物、醫(yī)學、化學和材料學的前沿基礎(chǔ)科學命題，開創(chuàng)近零磁環(huán)境下利用超高靈敏磁測量手段和精密弱磁調(diào)控方法，系統(tǒng)研究各類基礎(chǔ)科學問題動態(tài)和長期變化過程，填補零磁基礎(chǔ)學科研究空白，開辟新領(lǐng)域、提出新理論、發(fā)展新方法，取得開創(chuàng)性的新成果，為科技發(fā)展和認識自然提供原始動能，搶占國際科技競爭的制高點。