首次利用真空悬浮的纳米谐振子，实现三维空间电场分布测量

高灵敏度高分辨率的电场测量，在基础科学和工程技术中均具有重要应用价值：对矢量电场的精确测量是寻找库仑定律偏差的最直接方法，可帮助人们探索由带电暗物质所引起的新的电荷耦合作用力；低频电场传感在地球物理勘探、电气设备检测、水下目标探测等诸多领域具有重要而广泛的应用。

利用量子精密测量技术在微观尺度上进行高分辨电场测量，探索适用各种应用场景的电场传感机制，是近年来电场传感领域的研究热点。基于里德堡原子、量子纠缠态离子的先进探测方案已获得优于1μV/cm/Hz^1/2量级的电场探测灵敏度，但这些研究主要聚焦于射频和微波波段，对于MHz以下的低频段关注较少。

近年来，基于真空光悬浮微粒的谐振子系统，在极弱力测量、力矩测量、加速度测量、超小质量测量等精密测量领域取得多个技术突破，并在微纳力学传感器的研发中表现出独特优势。胡慧珠教授带领的之江实验室与浙江大学联合团队，提出了一种基于高电荷量纳米微粒的新型电场传感方案，首次利用真空悬浮的纳米谐振子实现了三维空间电场分布测量，将该技术优势拓展到高灵敏电场传感领域。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第2期（Shaocong Zhu, Zhenhai Fu, Xiaowen Gao, Cuihong Li, Zhiming Chen, Yingying Wang, Xingfan Chen, Huizhu Hu. Nanoscale electric field sensing using a levitated nano-resonator with net charge[J]. Photonics Research, 2023, 11(2): 279）。

如图1（a）所示，实验系统由单光束光阱、三轴运动探测、参数反馈冷却环路、电极驱动信号和信号解析模块组成。通过改变悬浮微粒与平行针尖电极对的相对位置，获取空间中不同位置的三轴电场分量，如图1（b）所示。该方案的空间测量分辨率取决于微粒在平衡位置的运动幅度及系统对平衡位置的操控精度，可达到纳米级；其电场探测灵敏度由热噪声极限及微粒携带的净电荷量评估，在1.4×10^-7 mbar的真空条件下，谐振频率处的等效电场探测灵敏度为7.5 μV/cm/Hz^1/2，3dB带宽为1.1kHz，如图1（c）所示。在谐振频率附近进行线性度分析，结果显示线性范围超过4个数量级，最大可探测电场值达到65.5kV/m，仅受限于测量器件的最大输出功率。

图1（a）悬浮光力实验系统示意图；（b）针尖电极xy平面电场矢量测量结果；（c）高真空下纳米谐振子力探测灵敏度谱和电场探测灵敏度谱

之江实验室副研究员傅振海表示：“悬浮微粒谐振子的谐振频率天然处于低频段，是该频段新型电场传感器的有力候选者，具有重要的研究价值。与离子阱电场探测方案类似，该方案通过测量谐振子在库伦力激励下的微小位移，实现外部微弱电场的高灵敏探测。此外，该方案具有谐振频率可调谐、可矢量探测、高空间分辨率、易于集成等独特技术优势，不需要额外的电场来形成稳定势阱，因此可以尽可能地避免附加电场对测量过程的影响。”

目前系统的探测灵敏度指标相比传统探测方案具有一定优势，后续团队将着力解决高真空环境下微粒电荷量的稳定控制和精准调控这一技术难题，进一步提升系统的探测性能。