用于测量行星尺度磁场的量子尺度传感器

磁场在我们的太阳系中无处不在。它们源自太阳、行星和卫星，并由太阳风传播到整个行星际空间。这正是磁力仪（用于测量磁场的设备）在几乎所有太空任务中飞行的原因，以造福地球、行星和太阳物理学界，并最终丰富全人类的知识。这些仪器可以远程探测行星体的内部，根据冻结在行星地壳岩层中的磁性历史，深入了解其内部成分、结构、动力学，甚至演化。磁力仪甚至可以发现我们太阳系内隐藏的海洋，并帮助确定其盐度，从而深入了解这些冰冷世界的潜在宜居性。

磁通门因其性能可靠和简单易用而成为太空任务中最广泛使用的磁力仪。然而，磁通门仪器的传统尺寸、重量和功率 (SWaP) 限制了它们在立方体卫星等小型平台上的使用，有时还限制了航天器上可用于传感器间校准、冗余和航天器磁场消除的传感器数量。传统上，使用长臂将磁通门磁力仪与航天器本身产生的污染磁场隔开，并使用至少两个传感器来表征该磁场贡献的衰减，以便将其从测量中消除。磁通门也不能提供绝对测量，这意味着它们需要通过航天器滚动在太空中定期校准，这可能耗费大量时间和资源。

美国宇航局南加州喷气推进实验室的 SMD 资助团队与美国宇航局俄亥俄州克利夫兰格伦研究中心合作，设计了一种新型磁力计原型，称为碳化硅 (SiC) 磁力计或 SiCMag，这可能会改变太空磁场的测量方式。SiCMag 使用由碳化硅 (SiC) 半导体制成的固态传感器。SiC 传感器内部是量子中心——故意引入的原子级缺陷或不规则性——会产生磁阻信号，可以通过监测传感器电流的变化来检测，这表明外部磁场的强度和方向发生了变化。这项新技术具有极高的灵敏度，并且由于其带隙大（即将电子从束缚态释放出来以参与电传导所需的能量），能够在太空中常见的各种极端温度和恶劣辐射环境中运行。

美国宇航局格伦中心团队成员 David Spry 表示：“碳化硅材料不仅非常适合磁场传感，而且美国宇航局格伦中心还正在进一步开发坚固耐用的碳化硅电子产品，这些电子产品可以在远远超出硅电子产品温度上限的高温环境中运行。这些基于碳化硅的技术有朝一日将使机器人能够对 460°C 的金星表面进行长时间的科学探索。”

SiCMag 也非常小——传感器面积仅为 0.1 x 0.1 毫米，补偿线圈比一美分硬币还小。因此，数十个 SiCMag 传感器可轻松集成到航天器上，以更好地消除航天器产生的复杂污染磁场，从而减少使用长臂将传感器与航天器分开的需要，就像大多数航天器（包括 Psyche）上所实现的那样。

与 Psyche 航天器相关的磁场线，由 200 多个独立磁源建模而成。从测量中去除这种磁场贡献通常需要在长臂上使用两个磁通门传感器。在这种情况下，加入 4 个或更多 SiCMag 传感器将显著减少所需臂的尺寸，甚至完全不需要臂。

与磁通门和其他类型的传统磁强计（包括基于光泵原子蒸汽的传统磁强计）相比，SiCMag 具有多项优势。SiCMag 是一种简单的仪器，不依赖于对温度变化敏感的光学元件或高频元件。SiCMag 的低 SWaP 还允许安装在立方体卫星等小型平台上，从而能够同时测量空间和时间磁场，而这是单个大型航天器无法实现的。这种能力将使立方体卫星群能够进行行星磁场测绘和空间天气监测。多平台测量对于月球和火星表面的地壳磁场测绘、成分识别和这些天体的磁历史调查也非常有价值。

SiCMag 具有真正的零场磁感应能力（即 SiCMag 可以测量极弱的磁场），这是大多数传统原子蒸汽磁强计无法实现的，因为传感器运行需要最低磁场。而且由于 SiCMag 中的自旋电子被束缚在量子中心，它们不会逃离传感器，这意味着它们非常适合长达数十年的冰巨星之旅或日光层边缘之旅。这种能力也是 SiCMag 的光学等效兄弟 OPuS-MAGNM 的优势，OPuS-MAGNM 是一种光泵固态量子磁强计，由 Hannes Kraus 开发，由 JPL 固态磁强计小组的 Andreas Gottscholl 完善。SiCMag 的优势在于极其简单，而 OPuS-MAGNM 则有望具有更低的噪声特性，但使用复杂的光学元件。

Andreas Gottscholl 博士表示：“SiCMag 和 OPuS-MAGNM 实际上非常相似。一个传感器系统的进步会直接转化为另一个传感器系统的益处。因此，设计和电子方面的改进推动了这两个项目的发展，有效地加倍了我们努力的影响，同时我们仍然可以灵活地适应不同的应用。”

SiCMag 具有绝对传感能力，因此具有自我校准能力，这在遥远的太空环境中是一个显著的优势。SiCMag 使用原子蒸汽磁力仪也利用的光谱校准技术，称为磁共振（对于 SiCMag，磁共振是通过电检测的）来测量与量子中心相关的电子的进动频率，该频率与传感器所处的磁场直接相关。这种关系是自然界的基本物理常数，不会随时间或温度而变化，因此响应非常适合校准传感器的测量值。“如果我们能够成功实现我们预期的灵敏度改进，使用同位素纯度更高的材料，SiC 可能会改变磁力测量在太空中的典型执行方式，因为该仪器具有吸引人的 SWaP、坚固性和自我校准能力，”JPL 的 Corey Cochrane 博士说，他是 SiCMag 技术的主要研究员。

3 轴 3D 打印电磁铁（不大于一枚美国硬币的大小）用于调节和维持 0.1 毫米 x 0.1 毫米 4H-SiC 固态传感器周围的零磁场区域。

美国宇航局自 2016 年起一直通过其 PICASSO（促进太阳系观测的行星仪器概念）计划资助该团队的固态量子磁力仪传感器研究。来自工业界和学术界的各种国内合作伙伴也支持这项研究，包括美国宇航局位于克利夫兰的格伦研究中心、宾夕法尼亚州立大学、爱荷华大学、QuantCAD LLC，以及日本量子材料与应用研究中心 (QUARC) 和英飞凌科技等国际合作伙伴。