中國科大利用超靈敏量子測量技術(shù)尋找新型自旋相互作用

作者：集小微 7小時(shí)前

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) #量子測量# #自旋共振# #核磁共振#

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋共振實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏教授等在自旋量子精密測量方面取得重要進(jìn)展，將量子精密測量與核磁共振、最優(yōu)濾波技術(shù)等相結(jié)合，針對多種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的自旋相互作用開展了系統(tǒng)性搜尋實(shí)驗(yàn)，在觀測窗口內(nèi)將國際上的探測界限提升了至少17個(gè)數(shù)量級。這一重要研究成果于6月2日以“Limits on Anomalous Spin-Spin Interactions Using Noble-Gas Nuclear Magnetic Resonance”為題發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》上。

量子精密測量利用量子力學(xué)基本原理，展現(xiàn)出突破經(jīng)典測量極限的巨大潛力，為電磁場、時(shí)間、轉(zhuǎn)動(dòng)等物理量的超高精度測量提供了革命性途徑。近年來，基于自旋體系的極弱磁場探測技術(shù)取得重大突破，其靈敏度已突破1fT（即10-15T）量級，開啟了極弱磁場探測的量子時(shí)代。在本工作中，研究組利用惰性氣體核自旋體系作為磁場量子探測器，提出并且實(shí)現(xiàn)了超靈敏極弱磁場探測[圖1(a)]，主要得益于兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。首先，利用惰性氣體核自旋共振增強(qiáng)待測磁場信號(hào)，其共振放大機(jī)制源于當(dāng)待測交流磁場頻率與核自旋拉莫進(jìn)動(dòng)頻率匹配時(shí)，將引發(fā)核自旋的集體相干響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)145倍的磁場信號(hào)放大。其次，結(jié)合極弱磁信號(hào)的最優(yōu)濾波技術(shù)，通過構(gòu)建與待測磁場波形匹配的線性濾波器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的最優(yōu)提取，將系統(tǒng)信噪比提升至理論極限水平，有效抑制了環(huán)境噪聲。

進(jìn)一步，該工作將以上自旋量子測量技術(shù)用于超越標(biāo)準(zhǔn)模型自旋相互作用的實(shí)驗(yàn)搜索中。這種奇異自旋相互作用表現(xiàn)為兩個(gè)129Xe自旋系綜之間的長程相互作用——其中一個(gè)系綜是自旋量子測量傳感器，另一個(gè)作為可控自旋源，而超越標(biāo)準(zhǔn)模型的玻色子作為傳播子。通過精確調(diào)控自旋源中129 Xe的極化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對奇異自旋相互作用強(qiáng)度的主動(dòng)調(diào)制。利用129Xe核磁共振精密測量技術(shù)，將奇異自旋相互作用的強(qiáng)度限制在10-8Hz量級以下，對應(yīng)的能量分辨率高達(dá)10??3eV。這一結(jié)果在6.0–157.4μeV質(zhì)量范圍內(nèi)對新玻色子[圖1(b)]給出了迄今為止最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)約束。相較于此前同質(zhì)量區(qū)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，約束界限提升了17個(gè)數(shù)量級。該工作發(fā)展的自旋量子精密測量技術(shù)為未來探索各類超越標(biāo)準(zhǔn)模型的自旋相互作用開辟了新的研究途徑，在新物理搜尋和精密測量領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。