中國科學技術大學中國科學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域取得重要進展，首次利用暗態自旋實現極弱磁場的量子放大，磁場放大倍數突破5000倍，單次磁場測量精度達到0.1fT水平。相關研究成果以“Observation of Magnetic Amplification Using Dark Spins”為題發表于國際著名學術期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)。
 

　　極弱磁場探測技術是21世紀現代探測技術的重要組成部分，對于生產生活、國家安全以及基礎研究均具有重要意義，包括心腦磁生物醫學診斷、地質勘探、分子結構測量以及暗物質探測等多個交叉科學應用。不斷提升磁場測量精度一直是弱磁測量領域的核心目標，特別是如何在復雜的環境噪聲和技術噪聲下，突破當前磁場的測量極限，是極弱磁場探測領域的重大挑戰。量子放大利用原子、分子及粒子的自旋等可以實現微弱電磁場的超低噪聲量子放大，在諸多前沿科學應用場景如微波激射器、激光器及原子鐘等精密測量領域發揮著重要作用。其中，彭新華教授團隊在2021年首次發現氣態原子自旋對極弱磁場的放大現象[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，并且將磁場放大與原子磁力計相結合，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，自旋量子放大還遠未發揮出它全部的潛力，主要是由于氣態自旋的初始化、相干時間和讀出靈敏度相關的約束，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用中得到充分利用至關重要。
 

　　圖：暗態自旋放大原理圖(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自旋量子放大的概念，并在氣態氙和銣原子混合體系中進行了實驗展示。在該體系中，氣態氙原子作為放大介質，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，由于混合的氣態原子處于同一空間，極化、放大和讀出的過程通常是同時進行的，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之中，免受來自極化銣原子的干擾，發揮出量子放大更多的潛力。實驗發現處于暗態的氙原子核自旋相干時間長達6分鐘，相較以往提升了1個數量級。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自旋對弱磁信號的放大增益約為5400倍。作為一項應用，暗態自旋放大與原子磁力計相結合，實現了單次測量(約500秒)可探測的最小磁場達到亞飛特斯拉水平(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106倍的磁場放大倍數，測磁靈敏度可以超過SERF磁力計多個數量級,有望達到10-18T水平。這項技術將用于生物醫學中的心腦磁診斷、化學分子的極弱磁場測量(即零磁場核磁共振)、暗物質探測等領域。
 

　　中國科學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、國家自然科學基金委等資助。(中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部)