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1、原子磁力仪 从人体到地雷中的金属，磁场可谓是无处不在。连蛋白质等分子都可以产生独特的磁场。能生成详细得出奇的人体图像的磁共振成像（MRI）和用来研究蛋白质和汽油等其他成分的核磁共振光谱（NMR）依靠的都是磁场信息。但是目前用于探测这些微弱却很重要的磁场传感器都有不少缺陷。有些较为轻便、廉价，但敏感性不足；有的敏感度高，但却不能移动、且昂贵、耗电。原子磁力仪如今，美国科罗拉多州博尔德市的美国国家标准与技术研究所物理学家基钦正在开发小型磁传感器，其敏感度完全可以与大且昂贵的传感器媲美。这些大小相当于一粒米的传感器被叫做原子磁力仪。基钦希望，有朝一日原子磁力仪能把轻便的MRI仪器和更快捷、更廉价的探
2、测器等都合并在一起。这种小型传感器有三个关键的元件，都垂直地叠加在一个硅芯片上。用一个红外线激光器和一个红外线光电探测器把一个充满了汽化铯原子的玻璃和硅方晶体夹在中间。如果没有磁场，激光就会直接穿过铯原子。但一旦有了磁场，即便是非常微弱，这些原子的阵列也会发生变化，使它们吸收与磁场强度成比例的光。而光电探测器会注意到这一变化。基钦说：“它的配置非常简单，但敏感性相当强。”原子磁力仪已有约50年的历史了；大多都有大而敏感的蒸汽室，它们是采用玻璃吹制技术制成的，大小相当于汽水瓶。最敏感的磁力仪可以探测出近似一个Femtotesla（磁场强度单位）级别的磁场，即地球磁场强度的500亿分之一。基钦的创
3、新在于将蒸汽室缩小到只有几个立方毫米的体积，从而既节约了电，又保留了可比的性能。基钦和5名物理学家共同合作，利用微机械加工技术制做出了蒸汽室。首先，他们把平版印刷术与化学蚀刻术结合在一起，在一块硅晶片上冲压出3毫米跨度的方孔，然后，再将硅片与一片玻璃紧紧夹住，施以高温和电压，生成一个焊接点，再把方孔变成一个带有玻璃底的无顶盒。在真空室中，他们用一个微型玻璃注射器将盒子充满蒸汽铯原子，接着使用另一片玻璃施以高温后将盒子封装起来（这个操作步骤一定要在真空条件下进行，因为铯会与水和氧发生剧烈反应）。然后，物理学家们再将做成的蒸汽室、红外激光器及光电探测器一起装在硅片上，给蒸汽室顶部和底部的导电薄膜通
4、上电流，发出热量，让铯原子蒸发。目前，基钦在实验室中能一次性制造出几个磁力仪，但他已设想出了可批量生产的方法。从一个单硅片上同时刻出不同元件的多个副本。几个硅晶片（每个都包含有不同元件的多个副本）可以相互层叠起来，然后，这些堆栈就可以切分出多个磁力仪了。用这种廉价的方式，低功耗的传感器就可以被设置成由电池供电的便携式成像阵列。这些阵列可轻易映射出磁场的强度和范围，一个阵列中的传感器越多，所提供的物体位置及形状的信息就越多。例如，士兵使用这样的阵列就可以更快、更方便地发现未爆炸的炸弹和爆炸装置。这种微型传感器还能彻底改变磁共振成像和核磁共振技术。两种技术都要依靠笨重而又昂贵的强磁体，而携带的冷却
5、系统也同样昂贵。因为基钦的传感器能探测非常微弱的磁场，而纳入其中的磁共振成像仪和核磁共振仪采用非常弱的磁体就能得到很好的图像，因此它们的体积更小、造价也少。因此，相信磁共振成像最终能得到更广泛的应用。从此，医生可以用它来检查病人体内不能暴露在强磁场下的心脏起搏器或其他金属植入物。一经开发，这种便携系统就能用于救护车或战场上。而且，核磁共振仪也能走出实验室进入野外，帮助石油和矿业公司寻找和评估地下的矿藏。最近，基钦和他的同事表示，这种传感器可以测量由水产生的核磁共振信号。他说，还有大量的工作要做，该装置才能分辨出多种化学物质发出的微弱信号，区分水样中的各种可能污染物。同样，还需要大量研究才可制造出便携式磁共振成像仪。但有了基钦的微型磁力仪，我们面临的挑战将从收集磁信息转移到这些信息的解释上。人物：基钦，美国国家标准与技术研究所定义：大小只有一颗米粒的微型原子磁力仪耗电少，对非常微弱的磁场也都非常敏感。影响：造价低廉的小型磁力仪可能用于便携式磁共振成像仪，成为人们探测地下爆炸装置的工具并能远程评估矿藏。背景：未来10年，基钦的微型传感器有着广泛的应用前景。（保尔扎克（Katherine Bourzac）
