我(wo)室彭新華(hua)教(jiao)授、江敏教(jiao)授團隊(dui)在(zai)極(ji)弱磁(ci)場(chang)量子(zi)(zi)精密(mi)測(ce)量領域(yu)取得重要(yao)進(jin)展(zhan)，將原(yuan)子(zi)(zi)自(zi)旋的(de)相(xiang)互作(zuo)用作(zuo)為量子(zi)(zi)精密(mi)測(ce)量的(de)重要(yao)資(zi)源，首(shou)次揭(jie)示相(xiang)互作(zuo)用原(yuan)子(zi)(zi)自(zi)旋的(de)磁(ci)場(chang)量子(zi)(zi)放(fang)大機制。進(jin)而研究團隊(dui)理論預言并實現了相(xiang)互作(zuo)用自(zi)旋氣體的(de)磁(ci)場(chang)放(fang)大（amplification）與磁場反放大（deamplification）這兩種效應，為量子精密(mi)測量的(de)發展開辟(pi)了新的(de)研(yan)究(jiu)方(fang)向。相(xiang)關研(yan)究(jiu)成果于(yu)2025年5月以“Amplification mechanism with interacting atomic gases”為(wei)題發(fa)表(biao)于國際著名學術期刊《美國國家(jia)科學院院刊》[PNAS 122, e2419683122 (2025)]。
極弱(ruo)磁場探測技術(shu)是(shi)21世紀現代探(tan)測(ce)技(ji)術的(de)重要組(zu)成部分，對于(yu)生產(chan)生活、國家安全(quan)以及基礎研究均具(ju)有重要意義。如何進一步突破(po)現有探(tan)測(ce)技(ji)術的(de)靈敏度是(shi)當前國際研究熱點(dian)。利用原子、分子和自旋等(deng)物理體系作為電磁(ci)場的(de)量子放(fang)大器(qi)具(ju)有超低噪聲干擾，可(ke)以超越經典傳感器(qi)件的(de)探(tan)測(ce)極限。例如，微波激射器(qi)可(ke)以放(fang)大108至1011 Hz 頻率范圍內的微波（1964年(nian)獲得諾貝爾獎），工(gong)作在更(geng)高頻率的激(ji)光(guang)器在1014至1015 Hz 的可見光范圍內有著至關重(zhong)要的應(ying)用，而自(zi)由(you)電子激光器已將測量能力擴展到(dao)紫外線和(he)X 射線波段，覆蓋(gai)頻率高達1016至1017 Hz。這些工作顯著推動了(le)深(shen)空通信、射(she)電(dian)天文學、醫學成(cheng)像、原子鐘等(deng)重要應用。在2021年-2024年(nian)，彭新華(hua)教授團隊首(shou)次發現惰性氣體原子自(zi)旋(xuan)對極弱磁場(chang)的量子放大現象[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，經過系列工(gong)作努力最終將磁場(chang)探測靈敏度提(ti)升(sheng)到亞fT水平[Sci. Adv.7, eabi9535 (2021); PRL 129, 051801 (2022); Sci. Adv. 9, eade0353 (2023); PNAS. 121, e2315696121(2024); PRL 133, 133202 (2024)]。上述研究仍(reng)局(ju)限(xian)于非相互作(zuo)用(yong)自旋(xuan)體系(xi)，在量子放大性能方面(包括磁場增(zeng)益、帶寬等)還有很大的提升潛力。
圖（a）相互作用自旋氣體系(xi)統與放大機制(zhi)示意圖，（b）靜磁場對信號放大(da)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)的影(ying)響
針對上述(shu)研究挑戰(zhan)，該工作(zuo)從(cong)理論和實驗上研究了相(xiang)互(hu)作(zuo)用原子氣體的量子放(fang)大(da)機制。該研究以堿金屬（Rb原子）和惰(duo)性氣體（129Xe原(yuan)(yuan)子(zi)）氣體為研究(jiu)(jiu)體系(xi)，這(zhe)(zhe)兩(liang)種原(yuan)(yuan)子(zi)自(zi)旋(xuan)(xuan)混(hun)合在同一個(ge)原(yuan)(yuan)子(zi)氣室。在該放(fang)(fang)大(da)(da)(da)系(xi)統中堿金屬(shu)具有(you)豐(feng)富的(de)(de)光學(xue)躍(yue)遷，而(er)惰性氣體壽(shou)命(ming)長(chang)但缺乏從基態(tai)的(de)(de)光學(xue)躍(yue)遷，這(zhe)(zhe)兩(liang)種原(yuan)(yuan)子(zi)間(jian)會發(fa)生頻繁的(de)(de)自(zi)旋(xuan)(xuan)交(jiao)換碰撞(zhuang)，從而(er)產生二者(zhe)之間(jian)相(xiang)(xiang)干的(de)(de)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)。在該研究(jiu)(jiu)中，研究(jiu)(jiu)團(tuan)隊解決兩(liang)個(ge)關(guan)鍵問(wen)題(ti)：一個(ge)是原(yuan)(yuan)子(zi)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)如何影響自(zi)旋(xuan)(xuan)氣體的(de)(de)電磁響應，另一個(ge)是相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)統的(de)(de)哪些物理參(can)數與信(xin)號放(fang)(fang)大(da)(da)(da)相(xiang)(xiang)關(guan)。針對(dui)第一個(ge)問(wen)題(ti)，該工作(zuo)(zuo)發(fa)現相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)導致(zhi)了(le)對(dui)磁場(chang)響應兩(liang)種不(bu)同的(de)(de)效(xiao)應：放(fang)(fang)大(da)(da)(da)和(he)反放(fang)(fang)大(da)(da)(da)。在放(fang)(fang)大(da)(da)(da)范圍(wei)內，實(shi)驗表明磁場(chang)放(fang)(fang)大(da)(da)(da)可以(yi)超過兩(liang)個(ge)數量級，所設計了(le)原(yuan)(yuan)子(zi)放(fang)(fang)大(da)(da)(da)器在低于100 Hz的低頻段(duan)具有fT水平的(de)超低噪聲(sheng)。此(ci)外(wai)，研究(jiu)團隊還提出了一種“反(fan)放大”的(de)量(liang)子測量(liang)技術，它(ta)能夠在特(te)定頻(pin)率范圍內將磁(ci)噪聲(sheng)抑制10倍以(yi)上。針對第(di)二(er)個(ge)問題(ti)，研究團隊深入研究了靜磁場、放(fang)大(da)系統(tong)空間方位以(yi)及(ji)相互作用強度等一系列物理(li)參數(shu)對放(fang)大(da)系統(tong)的影響，并給出了理(li)論解(jie)釋與實驗驗證。
研究團隊(dui)進一步探索了(le)堿金屬和惰性氣體自旋進入強(qiang)相(xiang)互作用(yong)(yong)區間時(shi)的放(fang)大(da)效應(ying)(ying)，首次(ci)揭示(shi)了(le)此前未曾觸及的強(qiang)相(xiang)互作用(yong)(yong)自旋氣體的放(fang)大(da)效應(ying)(ying)。這些新發現對于顯著擴展測量帶寬(kuan)、提(ti)升放(fang)大(da)增益具有極(ji)為重要的應(ying)(ying)用(yong)(yong)價值，有望成(cheng)為計量學領域極(ji)具價值的寶貴資源。以氦3惰性氣體為例(li)，在強相(xiang)互作用區間(jian)，其性能有望(wang)突破現有SERF磁力計的極限，靈敏度有望達到1 aT的水平(ping)。這一成果為從地球物理(li)勘探(tan)到暗物質搜索等一系列精密(mi)測量領域(yu)帶(dai)來了令人(ren)振奮的新機遇。
江敏教(jiao)(jiao)授、博士研究生秦毓舒為(wei)該文共(gong)同第(di)一(yi)作者(zhe)，彭新華教(jiao)(jiao)授為(wei)該文通訊作者(zhe)。該研究得到了國家自(zi)然(ran)科學(xue)基金委、科技部(bu)等資(zi)助。
論文鏈接：//www.pnas.org/doi/epub/10.1073/pnas.2419683122
