中国科大在极弱磁场量子精密测量领域取得重要进展

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副教授团队在极弱磁场量子精密测量领域取得重要进展，首次利用暗态自旋实现极弱磁场的量子放大，磁场放大倍数突破5000倍，单次磁场测量精度达到0.1fT水平。相关研究成果以“Observation of Magnetic Amplification Using Dark Spins”为题发表于国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

极弱磁场探测技术是21世纪现代探测技术的重要组成部分，对于生产生活、国家安全以及基础研究均具有重要意义，包括心脑磁生物医学诊断、地质勘探、分子结构测量以及暗物质探测等多个交叉科学应用。不断提升磁场测量精度一直是弱磁测量领域的核心目标，特别是如何在复杂的环境噪声和技术噪声下，突破当前磁场的测量极限，是极弱磁场探测领域的重大挑战。量子放大利用原子、分子及粒子的自旋等可以实现微弱电磁场的超低噪声量子放大，在诸多前沿科学应用场景如微波激射器、激光器及原子钟等精密测量领域发挥着重要作用。其中，彭新华教授团队在2021年首次发现气态原子自旋对极弱磁场的放大现象[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，并且将磁场放大与原子磁力计相结合，磁场测量灵敏度提升到fT水平[Sci. Adv.7,eabi9535 (2021), Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。尽管如此，自旋量子放大还远未发挥出它全部的潜力，主要是由于气态自旋的初始化、相干时间和读出灵敏度相关的约束，使得自旋量子放大的性能受到限制，特别是在测量带宽、工作频率和放大增益等方面。克服这些局限对于释放量子放大的全部潜力并使其在更广泛的应用中得到充分利用至关重要。

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图：暗态自旋放大原理图（左）；不同工作频率磁信号放大增益（右上）；不同工作频率可探测的最小磁场（右下）

针对上述难题，彭新华教授团队提出了暗态自旋量子放大的概念，并在气态氙和铷原子混合体系中进行了实验展示。在该体系中，气态氙原子作为放大介质，被激光极化的铷原子作为氙原子核自旋的极化和读出手段。在以往的实验中，由于混合的气态原子处于同一空间，极化、放大和读出的过程通常是同时进行的，此过程中，氙原子核自旋的极化、相干时间和读出灵敏度等之间存在着相互竞争，由此限制了自旋放大的放大增益、工作频率等性能。本文研究人员独辟蹊径，通过操控铷原子极化激光、氙原子偏置磁场等实验条件，将极化、放大和读出的过程分离开来，使得量子放大过程中氙原子核自旋处于暗态之中，免受来自极化铷原子的干扰，发挥出量子放大更多的潜力。实验发现处于暗态的氙原子核自旋相干时间长达6分钟，相较以往提升了1个数量级。更长的相干时间有助于提升放大增益，研究人员观察到更长相干的暗态自旋对弱磁信号的放大增益约为5400倍。作为一项应用，暗态自旋放大与原子磁力计相结合，实现了单次测量（约500秒）可探测的最小磁场达到亚飞特斯拉水平（1fT=10^-15T）。

该项工作指出极弱磁场测量技术还具有更高的灵敏度极限，例如利用氦3惰性气体有望实现106倍的磁场放大倍数，测磁灵敏度可以超过SERF磁力计多个数量级,有望达到10-18T水平。这项技术将用于生物医学中的心脑磁诊断、化学分子的极弱磁场测量（即零磁场核磁共振）、暗物质探测等领域。

中国科学院微观磁共振重点实验室江敏副教授、博士研究生黄颖为该文共同第一作者，彭新华教授为该文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委等资助。

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