中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗室彭新華教授、江敏教授團隊在極弱磁場(chǎng)量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，將原子自旋的相互作用作為量子精密測量的重要資源，首次揭示相互作用原子自旋的磁場(chǎng)量子放大機制。進(jìn)而研究團隊理論預言并實(shí)現了相互作用自旋氣體的磁場(chǎng)放大（amplification）與磁場(chǎng)反放大（deamplification）這兩種效應，為量子精密測量的發(fā)展開(kāi)辟了新的研究方向。相關(guān)研究成果于5月8日以“Amplification mechanism with interacting atomic gases”為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》。
極弱磁場(chǎng)探測技術(shù)是21世紀現代探測技術(shù)的重要組成部分，對于生產(chǎn)生活、國家安全以及基礎研究均具有重要意義。如何進(jìn)一步突破現有探測技術(shù)的靈敏度是當前國際研究熱點(diǎn)。利用原子、分子和自旋等物理體系作為電磁場(chǎng)的量子放大器具有超低噪聲干擾，可以超越經(jīng)典傳感器件的探測極限。例如，微波激射器可以放大10?至1011Hz 頻率范圍內的微波（1964年獲得諾貝爾獎），工作在更高頻率的激光器在101?至101?Hz的可見(jiàn)光范圍內有著(zhù)至關(guān)重要的應用，而自由電子激光器已將測量能力擴展到紫外線(xiàn)和X射線(xiàn)波段，覆蓋頻率高達101?至101?Hz。這些工作顯著(zhù)推動(dòng)了深空通信、射電天文學(xué)、醫學(xué)成像、原子鐘等重要應用。在2021年-2024年，彭新華教授團隊首次發(fā)現惰性氣體原子自旋對極弱磁場(chǎng)的量子放大現象，經(jīng)過(guò)系列工作努力最終將磁場(chǎng)探測靈敏度提升到亞fT水平。上述研究仍局限于非相互作用自旋體系，在量子放大性能方面(包括磁場(chǎng)增益、帶寬等)還有很大的提升潛力。
a）相互作用自旋氣體系統與放大機制示意圖，（b）靜磁場(chǎng)對信號放大關(guān)鍵參數的影響
針對上述研究挑戰，該工作從理論和實(shí)驗上研究了相互作用原子氣體的量子放大機制。該研究以堿金屬（Rb原子）和惰性氣體（12?Xe原子）氣體為研究體系，這兩種原子自旋混合在同一個(gè)原子氣室。在該放大系統中堿金屬具有豐富的光學(xué)躍遷，而惰性氣體壽命長(cháng)但缺乏從基態(tài)的光學(xué)躍遷，這兩種原子間會(huì )發(fā)生頻繁的自旋交換碰撞，從而產(chǎn)生二者之間相干的相互作用。在該研究中，研究團隊解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一個(gè)是原子相互作用如何影響自旋氣體的電磁響應，另一個(gè)是相互作用系統的哪些物理參數與信號放大相關(guān)。針對第一個(gè)問(wèn)題，該工作發(fā)現相互作用導致了對磁場(chǎng)響應兩種不同的效應：放大和反放大。在放大范圍內，實(shí)驗表明磁場(chǎng)放大可以超過(guò)兩個(gè)數量級，所設計了原子放大器在低于100 Hz的低頻段具有fT水平的超低噪聲。此外，研究團隊還提出了一種“反放大”的量子測量技術(shù)，它能夠在特定頻率范圍內將磁噪聲抑制10倍以上。針對第二個(gè)問(wèn)題，研究團隊深入研究了靜磁場(chǎng)、放大系統空間方位以及相互作用強度等一系列物理參數對放大系統的影響，并給出了理論解釋與實(shí)驗驗證。
研究團隊進(jìn)一步探索了堿金屬和惰性氣體自旋進(jìn)入強相互作用區間時(shí)的放大效應，首次揭示了此前未曾觸及的強相互作用自旋氣體的放大效應。這些新發(fā)現對于顯著(zhù)擴展測量帶寬、提升放大增益具有極為重要的應用價(jià)值，有望成為計量學(xué)領(lǐng)域極具價(jià)值的寶貴資源。以氦3惰性氣體為例，在強相互作用區間，其性能有望突破現有SERF磁力計的極限，靈敏度有望達到1aT的水平。這一成果為從地球物理勘探到暗物質(zhì)搜索等一系列精密測量領(lǐng)域帶來(lái)了令人振奮的新機遇。
江敏教授、博士研究生秦毓舒為該文共同第一作者，彭新華教授為該文通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部等資助。
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/epub/10.1073/pnas.2419683122
