記者4月24日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊首次利用暗態(tài)自旋實(shí)現(xiàn)極弱磁場的量子放大，磁場放大倍數(shù)突破5000倍，單次磁場測量精度達(dá)到0.1fT（1fT=10的負(fù)15次方特斯拉）水平。相關(guān)研究成果日前發(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)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，包括心腦磁生物醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)勘探、分子結(jié)構(gòu)測量以及暗物質(zhì)探測等多個交叉科學(xué)應(yīng)用。如何在復(fù)雜的環(huán)境噪聲和技術(shù)噪聲下，突破當(dāng)前磁場的測量極限，是極弱磁場探測領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。量子放大利用原子、分子及粒子的自旋等可以實(shí)現(xiàn)微弱電磁場的超低噪聲量子放大，在諸多前沿科學(xué)應(yīng)用場景如微波激射器、激光器及原子鐘等精密測量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，由于氣態(tài)自旋的初始化、相干時間和讀出靈敏度相關(guān)的約束，使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?？朔@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(yīng)用中得到充分利用至關(guān)重要。
針對上述難題，彭新華團(tuán)隊提出了暗態(tài)自旋量子放大的概念。研究人員通過操控銣原子極化激光、氙原子偏置磁場等實(shí)驗(yàn)條件，將極化、放大和讀出的過程分離開來，使量子放大過程中氙原子核自旋處于暗態(tài)之中，免受來自極化銣原子的干擾，發(fā)揮出量子放大更多的潛力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處于暗態(tài)的氙原子核自旋相干時間長達(dá)6分鐘，相較以往提升了1個數(shù)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(tài)自旋對弱磁信號的放大增益約為5400倍，暗態(tài)自旋放大與原子磁力計相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了單次測量（約500秒）可探測的最小磁場達(dá)到亞飛特斯拉水平（1fT=10的負(fù)15次方T）。
研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)將用于生物醫(yī)學(xué)中的心腦磁診斷、化學(xué)分子的極弱磁場測量（即零磁場核磁共振）、暗物質(zhì)探測等領(lǐng)域。
（中國科大供圖）
記者4月24日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊首次利用暗態(tài)自旋實(shí)現(xiàn)極弱磁場的量子放大，磁場放大倍數(shù)突破5000倍，單次磁場測量精度達(dá)到0.1fT（1fT=10的負(fù)15次方特斯拉）水平。相關(guān)研究成果日前發(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)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，包括心腦磁生物醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)勘探、分子結(jié)構(gòu)測量以及暗物質(zhì)探測等多個交叉科學(xué)應(yīng)用。如何在復(fù)雜的環(huán)境噪聲和技術(shù)噪聲下，突破當(dāng)前磁場的測量極限，是極弱磁場探測領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。量子放大利用原子、分子及粒子的自旋等可以實(shí)現(xiàn)微弱電磁場的超低噪聲量子放大，在諸多前沿科學(xué)應(yīng)用場景如微波激射器、激光器及原子鐘等精密測量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，由于氣態(tài)自旋的初始化、相干時間和讀出靈敏度相關(guān)的約束，使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?？朔@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(yīng)用中得到充分利用至關(guān)重要。
針對上述難題，彭新華團(tuán)隊提出了暗態(tài)自旋量子放大的概念。研究人員通過操控銣原子極化激光、氙原子偏置磁場等實(shí)驗(yàn)條件，將極化、放大和讀出的過程分離開來，使量子放大過程中氙原子核自旋處于暗態(tài)之中，免受來自極化銣原子的干擾，發(fā)揮出量子放大更多的潛力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處于暗態(tài)的氙原子核自旋相干時間長達(dá)6分鐘，相較以往提升了1個數(shù)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(tài)自旋對弱磁信號的放大增益約為5400倍，暗態(tài)自旋放大與原子磁力計相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了單次測量（約500秒）可探測的最小磁場達(dá)到亞飛特斯拉水平（1fT=10的負(fù)15次方T）。
研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)將用于生物醫(yī)學(xué)中的心腦磁診斷、化學(xué)分子的極弱磁場測量（即零磁場核磁共振）、暗物質(zhì)探測等領(lǐng)域。
（中國科大供圖）
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