【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副教授團隊在極弱磁場量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次利用暗態(tài)自旋實現(xiàn)極弱磁場的量子放大，磁場放大倍數(shù)突破5000倍，單次磁場測量精度達(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)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)。
 

　　極弱磁場探測技術(shù)是21世紀(jì)現(xiàn)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(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)測量以及暗物質(zhì)探測等多個交叉科學(xué)應(yīng)用。不斷提升磁場測量精度一直是弱磁測量領(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)前磁場的測量極限，是極弱磁場探測領(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現(xiàn)微弱電磁場的超低噪聲量子放大，在諸多前沿科學(xué)應(yīng)用場景如微波激射器、激光器及原子鐘等精密測量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中，彭新華教授團隊在2021年首次發(fā)現(xiàn)氣態(tài)原子自旋對極弱磁場的放大現(xiàn)象[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，并且將磁場放大與原子磁力計相結(jié)合，磁場測量靈敏度提升到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，特別是在測量帶寬、工作頻率和放大增益等方面。克服這些局限對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放大增益(右上)；不同工作頻率可探測的最小磁場(右下)

 

　　針對上述難題，彭新華教授團隊提出了暗態(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)行了實驗展示。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。在以往的實驗中，由于混合的氣態(tài)原子處于同一空間，極化、放大和讀出的過程通常是同時進(jìn)行的，此過程中，氙原子核自旋的極化、相干時間和讀出靈敏度等之間存在著相互競爭，由此限制了自旋放大的放大增益、工作頻率等性能。本文研究人員獨辟蹊徑，通過操控銣原子極化激光、氙原子偏置磁場等實驗條件，將極化、放大和讀出的過程分離開來，使得量子放大過程中氙原子核自旋處于暗態(tài)之中，免受來自極化銣原子的干擾，發(fā)揮出量子放大更多的潛力。實驗發(fā)現(xiàn)處于暗態(tài)的氙原子核自旋相干時間長達(dá)6分鐘，相較以往提升了1個數(shù)量級。更長的相干時間有助于提升放大增益，研究人員觀察到更長相干的暗態(tài)自旋對弱磁信號的放大增益約為5400倍。作為一項應(yīng)用，暗態(tài)自旋放大與原子磁力計相結(jié)合，實現(xiàn)了單次測量(約500秒)可探測的最小磁場達(dá)到亞飛特斯拉水平(1fT=10-15T)。
 

　　該項工作指出極弱磁場測量技術(shù)還具有更高的靈敏度極限，例如利用氦3惰性氣體有望實現(xiàn)106倍的磁場放大倍數(shù)，測磁靈敏度可以超過SERF磁力計多個數(shù)量級,有望達(dá)到10-18T水平。這項技術(shù)將用于生物醫(yī)學(xué)中的心腦磁診斷、化學(xué)分子的極弱磁場測量(即零磁場核磁共振)、暗物質(zhì)探測等領(lǐng)域。
 

　　中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室江敏副教授、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、國家自然科學(xué)基金委等資助。(中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)