中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在極弱磁場量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(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)在極弱磁場量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了混合原子自旋之間的法諾共振干涉效應(yīng)，提出了全新的磁噪聲抑制技術(shù)，成功降低磁噪聲干擾至少2個數(shù)量級。相關(guān)研究成果以“New Classes of Magnetic Noise Self-Compensation Effects in Atomic Comagnetometer”為題發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 133, 023202 (2024)]。
 

　　在過去數(shù)十年中，超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的奇異自旋相互作用，已引起精密測量領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。這些奇異自旋相互作用涵蓋了很多前沿領(lǐng)域，例如搜尋自旋-暗物質(zhì)粒子相互作用、第五力、永久電偶極矩、自旋-引力耦合，以及對CPT和洛倫茲不變性的檢驗(yàn)等。在這些精密實(shí)驗(yàn)中，奇異相互作用可以引起自旋的微小能級移動，從而等效為作用在自旋上的磁場，極弱磁場測量技術(shù)為檢驗(yàn)這類微弱磁場信號提供了全新手段。其中，彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊(duì)在2021年首次利用基于氙原子(Xe129)的自旋放大器，開展了暗物質(zhì)的直接搜尋實(shí)驗(yàn)并且首次突破宇宙天文學(xué)界限(SN1987A)[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，還完成多個奇異相互作用實(shí)驗(yàn)[Sci. Adv.7,eabi9535 (2021), Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。然而，這些研究普遍面臨一個巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)：信號極其微弱，常被噪聲背景掩蓋，尤其是容易受到磁噪聲及其他與磁場相關(guān)的系統(tǒng)性效應(yīng)的干擾。為了克服這些挑戰(zhàn)，原子共磁力計(jì)提供了一個重要的解決方案，它利用兩種不同的自旋來減小磁場漂移和波動的影響。然而，以往原子共磁力計(jì)僅對低頻磁噪聲(小于1Hz)有效，嚴(yán)重阻礙了在廣闊的未探索參數(shù)空間中對奇異自旋相互作用的實(shí)驗(yàn)搜尋。
 

　　針對上述難題，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于法諾共振干涉相消的磁噪聲抑制方法，并在氣態(tài)氦和鉀原子混合體系中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在該體系中，被激光極化的鉀原子作為氣態(tài)氦原子核自旋的極化和讀出手段，通過自旋交換碰撞實(shí)現(xiàn)對氦原子核自旋的極化。其中的核心思想是，鉀原子和氦原子間的自旋交換耦合還導(dǎo)致它們各自感受到來自另一種原子的等效磁場，其中鉀原子感受到的氦原子等效磁場和外界磁噪聲發(fā)生相消干涉時就實(shí)現(xiàn)了磁噪聲抑制。在以往的實(shí)驗(yàn)中，偏置磁場通常需要設(shè)定為與氦原子產(chǎn)生的等效場等大反向，以使氦原子核自旋絕熱地隨外界低頻磁噪聲變化從而達(dá)到抑制效果。本文研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過改變施加的偏置磁場大小，同時相應(yīng)調(diào)整探測方向與外界特定頻率磁噪聲之間的夾角，可以實(shí)現(xiàn)對更高頻率磁噪聲的有效抑制，并從法諾共振干涉相消這個新的角度為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供了完整而精確的理論解釋。研究人員利用上述磁噪聲自補(bǔ)償效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上展示了從近直流到高達(dá)200Hz范圍內(nèi)對磁噪聲的抑制，且抑制倍數(shù)均在2個量級以上。
 

圖 1：共磁力計(jì)在不同頻率處測得響應(yīng)大小及法諾線型擬合結(jié)果。圖中“法諾干涉抑制”頻率處可實(shí)現(xiàn)2個量級以上的磁噪聲抑制

 

　　該項(xiàng)工作指出，在磁探測靈敏度受磁噪聲(如磁屏蔽材料產(chǎn)生的約翰遜噪聲等)限制的情形下，利用該磁噪聲自補(bǔ)償效應(yīng)有望將贗磁場探測靈敏度提升1個量級，在更廣頻率范圍內(nèi)達(dá)到0.1fT/Hz1/2水平。這項(xiàng)技術(shù)將用于基礎(chǔ)物理研究中的暗物質(zhì)探測、奇異自旋相互作用的探測等領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
 

　　中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生秦毓舒、邵朕涵為該文共同第一作者，彭新華教授、江敏副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)基金委和中國科學(xué)院的資助。(中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)