新研究院！杭州极弱磁场重大科技基础设施研究院揭牌

在极弱磁测量领域，极限指标的突破不断扩展人类对世界的认识。最初的磁通门磁强计，灵敏度为nT量级，即10-9特斯拉；光泵磁强计可达到pT量级，即10-12特斯拉；超导量子干涉磁强计可以达到fT量级，10-15特斯拉。

而SERF原子自旋磁强计，灵敏度可再提高4个量级以上，进入阿特量级。

这为人类认识世界提供了一种新工具，将引领极弱磁测量技术变革，带来新的科学发现和应用价值！极弱磁场测量技术的发展历程第三阶段（2018-2022年），在之江实验室的培育下，指标持续引领。团队目前正依托之江实验室量子传感研究中心（5年投资15亿元）建设新一代更高灵敏度的极弱磁场和惯性测量科学研究装置。在《“十三五”国家科技创新规划》中，“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”被设为16个“科技创新2030—重大项目”之一，“地球深部探测”也处于重大项目规划中。

利用超高灵敏度的磁场测量装置可以测量火星及小卫星等采样返回物质，以及地球组深部岩石样本的极弱磁性，进行科研研究，促进人类对其它星体和地球的认识，从而服务于这两个领域的国家重大需求。

团队受到了科技部、杭州滨江区政府、之江实验室等国家与地方单位支持，以重大科技成果转化和应用为牵引，继续深入开展面向极弱磁与惯性的超高灵敏测量研究，引领创新、不断攻坚克难突破测量极限，将有力推动我国量子精密测量与传感领域相关技术的加速发展。未来的建设内容在深空深地探测领域，由于物质受到不同时间、不同强度环境磁场的磁化，会表现出不同的磁性，因此可以利用超高灵敏磁场测量的手段开展物质极弱磁性的测量与分析。在深空探测中，火星及小卫星等采样返回物质的极弱磁性测试与分析，有助于人们提高对星体及其它宇宙物质演化规律的认识；在地球深部探测中，岩石样本磁性测定在岩石磁学和古地磁学等领域具有重要意义，服务于古环境、古气候变化、地球动力学过程等的研究。

超高灵敏极弱磁场计量测试在我国深空探测研究中需求十分迫切子方向2：基于原子自旋SERF效应的极弱人体磁源成像在医学和脑科学领域，目前采用的基于血氧依赖水平的fMRI（功能核磁共振成像）的时间分辨率仅能达到秒级，并且只是间接反应脑活动的总体激活情况。基于生物电的成像技术，如非侵入式脑电图由于难以构建精确地容积电流传导模型，因而空间分辨率较低。

而对于脑神经传导、认知活动激活模式、脑源级网络构建等极弱磁生物电生理分析，急需满足fT量级甚至亚fT量级采集的超高灵敏磁场测量仪器以建立高时空分辨率的成像系统，进而实现对生物体的磁源成像分析。

与核磁共振检测相比，磁源成像是一种被动无损检测方式，无需对人体外加磁场，而是检测生物电流活动在自然状态下产生的极弱磁场，能够更加精确的反映生物电磁场活动，并具有更好的时间分辨率。超高灵敏极弱磁场测量为神经科学和脑科学研究开辟了新途径极弱磁成像，例如脑磁成像的优势是能够在高空间分辨率下反应大脑活动毫秒量级上变化的动态过程。利用这些信息可以精确还原大脑加工信息的整体过程，并观察信号如何随时间变化的。

另外，由于低频神经磁场没有受到头骨严重干扰，因此可以准确地定位大脑特定区域的活动情况。通过配准与核磁共振大脑解剖结构图像相结合，成像技术得到在大脑在特定区域内的神经活动激活模式，从而帮助人类了解大脑的功能和疾病的介观机制。基于原子自旋SERF效应的极弱磁测量可以使空间分辨率和磁源定位精度进一步提高，达到毫米级的空间分辨率，从而为脑科学研究、脑疾病诊断研究提供有力的工具。基于原子自旋SERF效应的脑磁测量将会更快更准地检测到人体磁场，从而追踪其来源，可以确定大脑的哪些部位用于不同的心理认知过程或出现神经异常电活动。

还可以确定大脑功能区之间的交互过程，从而可以构建大脑中的有向复杂网络。在脑疾病诊断方面，目前基于结构成像的医疗设备无法对癫痫，发育性脑疾病，例如自闭症、发育障碍等；退行性脑疾病，例如阿尔兹海默病、帕金森症等；还有其他精神类疾病，如抑郁症、精神分裂症等进行有效的诊断，而基于原子自旋SERF效应的脑磁成像在这类疾病的诊断上具有优势，未来必将在这些领域发挥重要作用。在心脏疾病诊断方面，由于基于SERF原子自旋SERF效应的极弱磁心磁成像具有特异性、高灵敏、高空间分辨率、探头灵活、非接触等特点，基于SERF原子自旋SERF效应的极弱磁心磁成像未来将在心率失常类疾病的高精度心磁溯源定位、辅助制定手术预案，术后康复评估；缺血性心脏病、胎儿心磁的非接触快速诊断、心脏活力评估；胎儿心律失常、生长发育评估的早早期诊断等三个方面医学应用快速发展。在中医机理研究方面，目前中医针刺机理研究主要集中在研究针刺人体经络穴位后脑磁信号的变化，得到针刺后脑磁图的变化的合理解释，以评估穴位的特异性，得出治病机理。

目前仅对少数穴位且单一穴位进行研究，未来应对穴位配比、针刺细节等多因素对在大脑的影响开展全面研究，优化针灸治疗方案。另外，除大脑外，还可以利用极弱磁成像装置测量肌磁，尝试经脉的测量。利用仪器测量人体极弱磁场，进行穴位、经络机理及中医“心主神明”、整体认知、干预归经等中医生理及干预效应测量与评估。北航已经搭建出可穿戴式的脑磁图研究装置并实现了基于32通道可穿戴式SERF脑磁测量的数据采集及定源处理。

同时利用团队研发的原子磁强计搭建了双通道脑磁测试装置，实现了脑磁信号的精确采集。与首都医科大学附属天坛医院合作开展多项临床实验。听觉定位实验显示该时域响应同目前成熟的脑电测试结果一致，可以验证脑磁图设备的有效性，定位精度已超过已发表的国内外研究结果。

目前也已完成视觉皮层定位实验，后期将开展情绪的深部核团的脑磁信号探测。与首都医科大学附属北京儿童医院开展针对OSAS儿童心与脑系统并发症的超高灵敏磁测量的研究。近年来，房建成院士团队在极弱磁测量方面的研究基础，从2014年开始进行基于SERF效应的小型化原子磁强计的研制，在2016年实现了体积28×13.9×9cm3，磁场测量灵敏度8.6fT/Hz1/2的原理样机。

随后，面向脑磁/心磁测量的需求继续深入开展研究，2019年的研制出的原理样机体积1.8×3.15×10cm3，灵敏度30fT/Hz1/2，同等体积下与国外最高水平的原子磁强计灵敏度相当。并计划通过进行进一步关键技术的攻关，在探头灵敏度和探头尺寸上达到国际领先平。为基于原子自旋SERF效应的极弱磁成像装置的研制打下坚实的基础。北航小型化SERF原子磁强计研究历程基于超高灵敏惯性测量技术，研制出原子自旋陀螺原理样机，有望应用于国防、深海探测等领域，实现高精度惯性导航系统的更新换代，对军事与民用两方面均有重要意义。

另一方面惯性测量器件广泛应用于国防及低成本民用导航系统中，精确标校是陀螺仪高效使用的前提和基础。因此迫切需要寻找高精度惯性与极弱磁计量基准和高效、准确的校准方法。基于原子自旋SERF效应的科学装置可以实现超高灵敏测量指标，在计量基准领域具有巨大科学与实用价值。

目前与中国航空工业集团304研究所联合申请获批国防技术基础项目，已经开展面向航空、国防领域的惯性计量基准研究。子方向4：基于金刚石色心的量子精密测量在基于金刚石色心的量子精密测量方面，紧跟国际最新思想，在美国加州大学伯克利分校于2012年11月首次提出基于金刚石NV－色心进行惯性测量构想1个月后，开始了此基础上的理论与实验研究，研究工作分析了NV－色心的惯性测量实现方法与NV－色心的弛豫性能，突破了高浓度NV－色心系综样品的制备、全晶向NV－色心系综同步操控、高效荧光收集等关键技术，有力支撑了金刚石色心量子精密测量平台指标的实现。结构限域介质材料与内嵌原子操控惯性测量研究历程杭州极弱磁场重大科技基础设施研究院理事长、首席科学家和总设计师中国科学院院士，导航、制导与控制专家。“国家杰出青年科学基金”获得者，教育部“长江学者特聘教授”。

现任北京航空航天大学常务副校长、党委常委。研究领域航天器姿态控制磁悬浮惯性执行机构技术，高分辨率航空遥感机载位置姿态测量系统技术，量子精密测量与传感技术，高速高能量密度磁悬浮电机技术及应用。