近期，北京航空航天大學(xué)大科學(xué)裝置研究院房建成教授團(tuán)隊(duì)魏凱教授組在量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的原子自旋傳感器，利用電子自旋與核自旋之間的雙自旋共振相互作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱磁場(chǎng)的超高靈敏和可溯源精準(zhǔn)探測(cè)。相關(guān)研究成果以“Double Spin Resonance for Traceable Ultrasensitive Atomic Spin Sensor”為題，于7月21日發(fā)表于物理學(xué)著名期刊《Physical Review Letters》。
 

　　“沒有測(cè)量就沒有科學(xué)，至少是沒有精確的科學(xué)、真正的科學(xué)”，元素周期表之父門捷列夫提出的論斷，揭示了測(cè)量在科學(xué)探索中的基礎(chǔ)性地位。在探索宇宙奧秘的征途上，科學(xué)家們?cè)絹碓揭蕾嚦呔鹊臏y(cè)量手段，去探尋來自物質(zhì)、粒子甚至宇宙深處的微弱信號(hào)。在極微弱信號(hào)的探測(cè)中，我們追求“測(cè)得精”(靈敏度高)，例如在磁異常探潛、磁力勘探、生物磁測(cè)量等領(lǐng)域，用來分辨磁場(chǎng)微小的變化。而在地磁導(dǎo)航、巖石圈磁性分布等領(lǐng)域中，“測(cè)得準(zhǔn)”(測(cè)量可溯源)又尤為重要。為了在更多科學(xué)基礎(chǔ)前沿問題中獲得突破，例如μ子的g-2、以及電子和中子的電偶極矩等的精確測(cè)量中，對(duì)于磁信號(hào)的測(cè)量不僅要“測(cè)得精”，還得“測(cè)得準(zhǔn)”。高標(biāo)準(zhǔn)地同時(shí)做到“測(cè)得精準(zhǔn)”，一直是精密測(cè)量技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。
 

　　該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全新的原子自旋傳感器，不僅“測(cè)得精”，而且“測(cè)得準(zhǔn)”。在近地磁量級(jí)的磁環(huán)境下，它的靈敏度達(dá)到了0.57fT/sqrt(Hz)，可以感受到比地球磁場(chǎng)還弱十億倍的磁信號(hào)。同時(shí)還能將測(cè)量結(jié)果溯源到原子的物理常數(shù)，確保結(jié)果準(zhǔn)確可靠。這項(xiàng)突破背后的關(guān)鍵技術(shù)是通過精確操控兩種不同的原子(鉀原子和氦-3原子)的相互作用而實(shí)現(xiàn)的，可以形象地理解為“兩種原子被操控著跳一曲美妙的探戈”。在這個(gè)傳感器中，鉀原子的電子自旋旋磁比大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，像是一個(gè)輕快的舞者，動(dòng)作迅速而靈敏；而氦-3原子的核自旋旋磁比小，相干時(shí)間長(zhǎng)，更穩(wěn)重，動(dòng)作慢但節(jié)奏清晰。通過控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件，研究團(tuán)隊(duì)調(diào)控兩者的耦合，使得兩種原子達(dá)到節(jié)奏上的同步或者異步，從而抑制或者放大彼此的動(dòng)作幅度，形成更強(qiáng)的輸出響應(yīng)信號(hào)——也就是更容易測(cè)量弱磁信號(hào)。這一過程的實(shí)現(xiàn)依賴于兩種原子之間一個(gè)精妙的耦合現(xiàn)象：鉀原子的電子自旋與氦-3原子的核自旋通過自旋交換碰撞相互作用，使得一個(gè)原子“感受到”另一個(gè)原子的變化。就像兩個(gè)人牽著手跳舞，其中一個(gè)稍有變動(dòng)，另一個(gè)也會(huì)迅速響應(yīng)。通過這種協(xié)作，兩者共同把微小的磁場(chǎng)變化“放大”，形成更容易被檢測(cè)的信號(hào)。
 

　　縱向磁場(chǎng)調(diào)控鉀原子和氦-3的耦合強(qiáng)度。在相位同步耦合區(qū)域氦-3的放大能力被鉀原子強(qiáng)耦合所抑制，遠(yuǎn)離相位同步耦合區(qū)域，兩者進(jìn)動(dòng)存在相位延遲，雙自旋共振實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)
 

　　如何實(shí)現(xiàn)“測(cè)得準(zhǔn)”，在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種原位可溯源的方案，在鉀原子和氦-3原子混合氣室中，通過測(cè)量氦-3的進(jìn)動(dòng)頻率，將信號(hào)溯源到氦-3核自旋旋磁比常數(shù)，實(shí)現(xiàn)了直接、準(zhǔn)確的磁場(chǎng)測(cè)量。這就好比使用一把經(jīng)過國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的“尺子”來量磁場(chǎng)，保證結(jié)果不僅靈敏，還可溯源。但調(diào)控不同原子相互作用實(shí)現(xiàn)“測(cè)得精”對(duì)“測(cè)得準(zhǔn)”帶來了挑戰(zhàn)：原子間的費(fèi)米接觸作用雖然增強(qiáng)了信號(hào)，但也帶來了干擾，會(huì)影響氦-3的自旋進(jìn)動(dòng)，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。為了解決這一問題，引入了一種巧妙的“脈沖調(diào)制”方法，用快速變換的激光脈沖反復(fù)“翻轉(zhuǎn)”鉀原子的自旋方向，從而平均掉它們對(duì)氦-3的干擾。這種技術(shù)成功地將費(fèi)米接觸相互作用引起的堿金屬等效磁場(chǎng)抑制了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。
 

　　這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被驗(yàn)證用于探索宇宙中一種神秘的暗物質(zhì)候選粒子——類軸子(axion-like particles)，用以揭開占宇宙總物質(zhì)組成約85%的暗物質(zhì)的神秘面紗。研究團(tuán)隊(duì)利用該傳感器長(zhǎng)時(shí)間收集采樣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了在類軸子粒子質(zhì)量6.74×10-13eV處，軸子-中子耦合強(qiáng)度系數(shù)結(jié)果超過原有實(shí)驗(yàn)室紀(jì)錄約1個(gè)量級(jí)。這個(gè)小小的量子傳感器，正在為尋找宇宙的“隱身成員”提供最先進(jìn)的線索。
 

95%置信水平下軸子-中子耦合系數(shù)gann的測(cè)量結(jié)果，以及與國(guó)際同類研究的對(duì)比
 

　　論文共同第一作者為北航大科學(xué)裝置研究院博士生黃曉菲和王惟一，北航大科學(xué)裝置研究院魏凱教授和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院胡焱暉博士后(房建成教授團(tuán)隊(duì)畢業(yè)生)為共同通訊作者，北航房建成教授指導(dǎo)本項(xiàng)工作。該研究工作得到了科技創(chuàng)新2030重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。