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，发现了混合原子自旋之间的法诺共振干涉效应，提出了全新的磁噪声抑制技术，成功降低磁噪声干扰至少2个数量级。相关研究成果以“New Classes of Magnetic Noise Self-Compensation Effects in Atomic Comagnetometer”为题发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 133, 023202 (2024)]。

在过去数十年中，超越粒子物理标准模型的奇异自旋相互作用，已引起精密测量领域的广泛关注。这些奇异自旋相互作用涵盖了很多前沿领域，例如搜寻自旋-暗物质粒子相互作用、第五力、永久电偶极矩、自旋-引力耦合，以及对CPT和洛伦兹不变性的检验等。在这些精密实验中，奇异相互作用可以引起自旋的微小能级移动，从而等效为作用在自旋上的磁场，极弱磁场测量技术为检验这类微弱磁场信号提供了全新手段。其中，彭新华教授、江敏副教授团队在2021年首次利用基于氙原子（Xe129）的自旋放大器，开展了暗物质的直接搜寻实验并且首次突破宇宙天文学界限（SN1987A）[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，还完成多个奇异相互作用实验[Sci. Adv.7,eabi9535 (2021), Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。然而，这些研究普遍面临一个巨大的实验挑战：信号极其微弱，常被噪声背景掩盖，尤其是容易受到磁噪声及其他与磁场相关的系统性效应的干扰。为了克服这些挑战，原子共磁力计提供了一个重要的解决方案，它利用两种不同的自旋来减小磁场漂移和波动的影响。然而，以往原子共磁力计仅对低频磁噪声（小于1Hz）有效，严重阻碍了在广阔的未探索参数空间中对奇异自旋相互作用的实验搜寻。

针对上述难题，研究团队发展了基于法诺共振干涉相消的磁噪声抑制方法，并在气态氦和钾原子混合体系中进行了实验验证。在该体系中，被激光极化的钾原子作为气态氦原子核自旋的极化和读出手段，通过自旋交换碰撞实现对氦原子核自旋的极化。其中的核心思想是，钾原子和氦原子间的自旋交换耦合还导致它们各自感受到来自另一种原子的等效磁场，其中钾原子感受到的氦原子等效磁场和外界磁噪声发生相消干涉时就实现了磁噪声抑制。在以往的实验中，偏置磁场通常需要设定为与氦原子产生的等效场等大反向，以使氦原子核自旋绝热地随外界低频磁噪声变化从而达到抑制效果。本文研究人员在实验中发现，通过改变施加的偏置磁场大小，同时相应调整探测方向与外界特定频率磁噪声之间的夹角，可以实现对更高频率磁噪声的有效抑制，并从法诺共振干涉相消这个新的角度为实验现象提供了完整而精确的理论解释。研究人员利用上述磁噪声自补偿效应在实验上展示了从近直流到高达200Hz范围内对磁噪声的抑制，且抑制倍数均在2个量级以上。

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图1.共磁力计在不同频率处测得响应大小及法诺线型拟合结果。图中“法诺干涉抑制”频率处可实现2个量级以上的磁噪声抑制

该项工作指出，在磁探测灵敏度受磁噪声（如磁屏蔽材料产生的约翰逊噪声等）限制的情形下，利用该磁噪声自补偿效应有望将赝磁场探测灵敏度提升1个量级，在更广频率范围内达到0.1fT/Hz1/2水平。这项技术将用于基础物理研究中的暗物质探测、奇异自旋相互作用的探测等领域，具有重要的科学意义和应用前景。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生秦毓舒、邵朕涵为该文共同第一作者，彭新华教授、江敏副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和中国科学院的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.023202