中国科大在极弱磁场量子精密测量领域取得重要进展

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室彭新华传授、江敏副传授团队正在极弱磁场量子紧密丈量范畴取患上重要进展,初次哄骗暗态自旋完成极弱磁场的量子缩小,磁场缩小倍数冲破5000倍,单次磁场丈量精度到达0.1fT程度。相干研究结果以“Observation of Magnetic Amplification Using Dark Spins”为题颁发于国际闻名学术期刊《美国国度迷信院院刊》(PNAS)。极弱磁场探测技能是21世纪古代探测技能的重要构成局部,关于出产糊口、国度保险和根蒂根基研究均具备重要意思,包含心脑磁生物医学诊断、地质勘探、份子布局丈量和暗物资探测等多个交织迷信使用。一直晋升磁场丈量精度不断是弱磁丈量范畴的焦点方针,出格是怎样正在庞大的情况噪声以及技能噪声下,冲破以后磁场的丈量极限,是极弱磁场探测范畴的重年夜应战。量子缩小哄骗原子、份子及粒子的自旋等可以完成强劲电磁场的超低噪声量子缩小,正在诸多前沿迷信使用场景如微波激射器、激光器及原子钟等紧密丈量范畴阐扬侧重要作用。此中,彭新华传授团队正在2021年初次发明气态原子自旋对极弱磁场的缩小征象[Nat. Phys. 17, 1

  中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室彭新华传授、江敏副传授团队正在极弱磁场量子紧密丈量范畴取患上重要进展,初次哄骗暗态自旋完成极弱磁场的量子缩小,磁场缩小倍数冲破5000倍,单次磁场丈量精度到达0.1fT程度。相干研究结果以“Observation of Magnetic Amplification Using Dark Spins”为题颁发于国际闻名学术期刊《美国国度迷信院院刊》(PNAS)。

  极弱磁场探测技能是21世纪古代探测技能的重要构成局部,关于出产糊口、国度保险和根蒂根基研究均具备重要意思,包含心脑磁生物医学诊断、地质勘探、份子布局丈量和暗物资探测等多个交织迷信使用。一直晋升磁场丈量精度不断是弱磁丈量范畴的焦点方针,出格是怎样正在庞大的情况噪声以及技能噪声下,冲破以后磁场的丈量极限,是极弱磁场探测范畴的重年夜应战。量子缩小哄骗原子、份子及粒子的自旋等可以完成强劲电磁场的超低噪声量子缩小,正在诸多前沿迷信使用场景如微波激射器、激光器及原子钟等紧密丈量范畴阐扬侧重要作用。此中,彭新华传授团队正在2021年初次发明气态原子自旋对极弱磁场的缩小征象[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)],而且将磁场缩小与原子磁力计相联合,磁场丈量活络度晋升到fT程度[Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021), Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。只管云云,自旋量子缩小还远未阐扬出它全数的后劲,首要是因为气态自旋的初始化、相关时间以及读出活络度相干的约束,使患上自旋量子缩小的机能遭到限定,出格是正在丈量带宽、事情频次以及缩小增益等方面。降服这些局限关于开释量子缩小的全数后劲并使其正在更普遍的使用中获得充实哄骗相当重要。

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  图:暗态自旋缩小道理图(左);没有同事情频次磁旌旗灯号缩小增益(右上);没有同事情频次可探测的最小磁场(右下)

  针对上述难题,彭新华传授团队提出了暗态自旋量子缩小的观点,并正在气态氙以及铷原子混淆系统中举行了试验展示。正在该系统中,气态氙原子作为缩小介质,被激光极化的铷原子作为氙原子核自旋的极化以及读脱手段。正在以往的试验中,因为混淆的气态原子处于统一空间,极化、缩小以及读出的历程凡是是同时举行的,此历程中,氙原子核自旋的极化、相关时间以及读出活络度等之间存正在着彼此竞争,由此限定了自旋缩小的缩小增益、事情频次等机能。本文研究职员独辟蹊径,经由过程操控铷原子极化激光、氙原子偏置磁场等试验前提,将极化、缩小以及读出的历程别离开来,使患上量子缩小历程中氙原子核自旋处于暗态之中,免受来自极化铷原子的滋扰,阐扬出量子缩小更多的后劲。试验发明处于暗态的氙原子核自旋相关时间长达6分钟,相较以往晋升了1个数目级。更长的相关时间有助于晋升缩小增益,研究职员察看到更长相关的暗态自旋对弱磁旌旗灯号的缩小增益约为5400倍。作为一项使用,暗态自旋缩小与原子磁力计相联合,完成了单次丈量(约500秒)可探测的最小磁场到达亚飞特斯拉程度(1fT=10-15T)。

  该项事情指出极弱磁场丈量技能还具备更高的活络度极限,例如哄骗氦3惰性气体无望完成106倍的磁场缩小倍数,测磁活络度可以凌驾SERF磁力计多个数目级,无望到达10-18T程度。这项技能将用于生物医学中的心脑磁诊断、化学份子的极弱磁场丈量(即零磁场核磁共振)、暗物资探测等范畴。

  中国迷信院宏观磁共振重点试验室江敏副传授、博士研究生黄颖为该文配合第一作者,彭新华传授为该文通信作者。该研究获得了科技部、国度天然迷信基金委等赞助。

  论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2315696121