中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實驗室彭新華教授、江敏教授團(tuán)隊在極弱磁場量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，將原子自旋的相互作用作為量子精密測量的重要資源，首次揭示相互作用原子自旋的磁場量子放大機(jī)制。進(jìn)而研究團(tuán)隊理論預(yù)言并實現(xiàn)了相互作用自旋氣體的磁場放大（amplification）與磁場反放大（deamplification）這兩種效應(yīng)，為量子精密測量的發(fā)展開辟了新的研究方向。相關(guān)研究成果于5月8日以“Amplification mechanism with interacting atomic gases”為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》。

極弱磁場探測技術(shù)是21世紀(jì)現(xiàn)代探測技術(shù)的重要組成部分，對于生產(chǎn)生活、國家安全以及基礎(chǔ)研究均具有重要意義。如何進(jìn)一步突破現(xiàn)有探測技術(shù)的靈敏度是當(dāng)前國際研究熱點。利用原子、分子和自旋等物理體系作為電磁場的量子放大器具有超低噪聲干擾，可以超越經(jīng)典傳感器件的探測極限。例如，微波激射器可以放大108至1011Hz 頻率范圍內(nèi)的微波（1964年獲得諾貝爾獎），工作在更高頻率的激光器在1014至1015Hz的可見光范圍內(nèi)有著至關(guān)重要的應(yīng)用，而自由電子激光器已將測量能力擴(kuò)展到紫外線和X射線波段，覆蓋頻率高達(dá)1016至1017Hz。這些工作顯著推動了深空通信、射電天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、原子鐘等重要應(yīng)用。在2021年-2024年，彭新華教授團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)惰性氣體原子自旋對極弱磁場的量子放大現(xiàn)象，經(jīng)過系列工作努力最終將磁場探測靈敏度提升到亞fT水平。上述研究仍局限于非相互作用自旋體系，在量子放大性能方面(包括磁場增益、帶寬等)還有很大的提升潛力。

圖（a）相互作用自旋氣體系統(tǒng)與放大機(jī)制示意圖，（b）靜磁場對信號放大關(guān)鍵參數(shù)的影響

針對上述研究挑戰(zhàn)，該工作從理論和實驗上研究了相互作用原子氣體的量子放大機(jī)制。該研究以堿金屬（Rb原子）和惰性氣體（129Xe原子）氣體為研究體系，這兩種原子自旋混合在同一個原子氣室。在該放大系統(tǒng)中堿金屬具有豐富的光學(xué)躍遷，而惰性氣體壽命長但缺乏從基態(tài)的光學(xué)躍遷，這兩種原子間會發(fā)生頻繁的自旋交換碰撞，從而產(chǎn)生二者之間相干的相互作用。在該研究中，研究團(tuán)隊解決兩個關(guān)鍵問題：一個是原子相互作用如何影響自旋氣體的電磁響應(yīng)，另一個是相互作用系統(tǒng)的哪些物理參數(shù)與信號放大相關(guān)。針對第一個問題，該工作發(fā)現(xiàn)相互作用導(dǎo)致了對磁場響應(yīng)兩種不同的效應(yīng)：放大和反放大。在放大范圍內(nèi)，實驗表明磁場放大可以超過兩個數(shù)量級，所設(shè)計了原子放大器在低于100 Hz的低頻段具有fT水平的超低噪聲。此外，研究團(tuán)隊還提出了一種“反放大”的量子測量技術(shù)，它能夠在特定頻率范圍內(nèi)將磁噪聲抑制10倍以上。針對第二個問題，研究團(tuán)隊深入研究了靜磁場、放大系統(tǒng)空間方位以及相互作用強(qiáng)度等一系列物理參數(shù)對放大系統(tǒng)的影響，并給出了理論解釋與實驗驗證。

研究團(tuán)隊進(jìn)一步探索了堿金屬和惰性氣體自旋進(jìn)入強(qiáng)相互作用區(qū)間時的放大效應(yīng)，首次揭示了此前未曾觸及的強(qiáng)相互作用自旋氣體的放大效應(yīng)。這些新發(fā)現(xiàn)對于顯著擴(kuò)展測量帶寬、提升放大增益具有極為重要的應(yīng)用價值，有望成為計量學(xué)領(lǐng)域極具價值的寶貴資源。以氦3惰性氣體為例，在強(qiáng)相互作用區(qū)間，其性能有望突破現(xiàn)有SERF磁力計的極限，靈敏度有望達(dá)到1aT的水平。這一成果為從地球物理勘探到暗物質(zhì)搜索等一系列精密測量領(lǐng)域帶來了令人振奮的新機(jī)遇。

江敏教授、博士研究生秦毓舒為該文共同第一作者，彭新華教授為該文通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部等資助。