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中國(guó)科大在極弱磁場(chǎng)量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊(duì)在極弱磁場(chǎng)量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次利用暗態(tài)自旋實(shí)現(xiàn)極弱磁場(chǎng)的量子放大，磁場(chǎng)放大倍數(shù)突破5000倍，單次磁場(chǎng)測(cè)量精度達(dá)到0.1fT水平。相關(guān)研究成果以“Observation of Magnetic Amplification Using Dark Spins”為題發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）。 極弱磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)是21世紀(jì)現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)的重要組成部分，對(duì)于生產(chǎn)生活、國(guó)家安全以及基礎(chǔ)研究均具有重要意義，包括心腦磁生物醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)勘探、分子結(jié)構(gòu)測(cè)量以及暗物質(zhì)探測(cè)等多個(gè)交叉科學(xué)應(yīng)用。不斷提升磁場(chǎng)測(cè)量精度一直是弱磁測(cè)量領(lǐng)域的核心目標(biāo)，特別是如何在復(fù)雜的環(huán)境噪聲和技術(shù)噪聲下，突破當(dāng)前磁場(chǎng)的測(cè)量極限，是極弱磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。量子放大利用原子、分子及粒子的自旋等可以實(shí)現(xiàn)微弱電磁場(chǎng)的超低噪聲量子放大，在諸多前沿科學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景如微波激射器、激光器及原子鐘等精密測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中，彭新華教授團(tuán)隊(duì)在2021年首次發(fā)現(xiàn)氣態(tài)原子自旋對(duì)極弱磁場(chǎng)的放大現(xiàn)象[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，并且將磁場(chǎng)放大與原子磁力計(jì)相結(jié)合，磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度提升到fT水平[Sci. Adv.7,eabi9535 (2021), Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。盡管如此，自旋量子放大還遠(yuǎn)未發(fā)揮出它全部的潛力，主要是由于氣態(tài)自旋的初始化、相干時(shí)間和讀出靈敏度相關(guān)的約束，使得自旋量子放大的性能受到限制，特別是在測(cè)量帶寬、工作頻率和放大增益等方面�？朔@些局限對(duì)于釋放量子放大的全部潛力并使其在更廣泛的應(yīng)用中得到充分利用至關(guān)重要。  圖：暗態(tài)自旋放大原理圖（左）；不同工作頻率磁信號(hào)放大增益（右上）；不同工作頻率可探測(cè)的最小磁場(chǎng)（右下） 針對(duì)上述難題，彭新華教授團(tuán)隊(duì)提出了暗態(tài)自旋量子放大的概念，并在氣態(tài)氙和銣原子混合體系中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)展示。在該體系中，氣態(tài)氙原子作為放大介質(zhì)，被激光極化的銣原子作為氙原子核自旋的極化和讀出手段。在以往的實(shí)驗(yàn)中，由于混合的氣態(tài)原子處于同一空間，極化、放大和讀出的過(guò)程通常是同時(shí)進(jìn)行的，此過(guò)程中，氙原子核自旋的極化、相干時(shí)間和讀出靈敏度等之間存在著相互競(jìng)爭(zhēng)，由此限制了自旋放大的放大增益、工作頻率等性能。本文研究人員獨(dú)辟蹊徑，通過(guò)操控銣原子極化激光、氙原子偏置磁場(chǎng)等實(shí)驗(yàn)條件，將極化、放大和讀出的過(guò)程分離開(kāi)來(lái)，使得量子放大過(guò)程中氙原子核自旋處于暗態(tài)之中，免受來(lái)自極化銣原子的干擾，發(fā)揮出量子放大更多的潛力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處于暗態(tài)的氙原子核自旋相干時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6分鐘，相較以往提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)。更長(zhǎng)的相干時(shí)間有助于提升放大增益，研究人員觀察到更長(zhǎng)相干的暗態(tài)自旋對(duì)弱磁信號(hào)的放大增益約為5400倍。作為一項(xiàng)應(yīng)用，暗態(tài)自旋放大與原子磁力計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了單次測(cè)量（約500秒）可探測(cè)的最小磁場(chǎng)達(dá)到亞飛特斯拉水平（1fT=10-15T）。 該項(xiàng)工作指出極弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)還具有更高的靈敏度極限，例如利用氦3惰性氣體有望實(shí)現(xiàn)106倍的磁場(chǎng)放大倍數(shù)，測(cè)磁靈敏度可以超過(guò)SERF磁力計(jì)多個(gè)數(shù)量級(jí),有望達(dá)到10-18T水平。這項(xiàng)技術(shù)將用于生物醫(yī)學(xué)中的心腦磁診斷、化學(xué)分子的極弱磁場(chǎng)測(cè)量（即零磁場(chǎng)核磁共振）、暗物質(zhì)探測(cè)等領(lǐng)域。 中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江敏副教授、博士研究生黃穎為該文共同第一作者，彭新華教授為該文通訊作者。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委等資助。 |
