記者4月24日從中國科學技術大學獲悉，該校彭新華教授、江敏副教授團隊首次利用暗態自旋實現極弱磁場的量子放大，磁場放大倍數突破5000倍，單次磁場測量精度達到0.1fT（1fT=10的負15次方特斯拉）水平。相關研究成果日前發表于國際學術期刊《美國國家科學院院刊》。
極弱磁場探測技術對于生產生活、國家安全以及基礎研究均具有重要意義，包括心腦磁生物醫學診斷、地質勘探、分子結構測量以及暗物質探測等多個交叉科學應用。如何在復雜的環境噪聲和技術噪聲下，突破當前磁場的測量極限，是極弱磁場探測領域的重大挑戰。量子放大利用原子、分子及粒子的自旋等可以實現微弱電磁場的超低噪聲量子放大，在諸多前沿科學應用場景如微波激射器、激光器及原子鐘等精密測量領域發揮著重要作用。然而，由于氣態自旋的初始化、相干時間和讀出靈敏度相關的約束，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。克服這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用中得到充分利用至關重要。
針對上述難題，彭新華團隊提出了暗態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驗條件，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之中，免受來自極化銣原子的干擾，發揮出量子放大更多的潛力。實驗發現處于暗態的氙原子核自旋相干時間長達6分鐘，相較以往提升了1個數量級。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自旋對弱磁信號的放大增益約為5400倍，暗態自旋放大與原子磁力計相結合，實現了單次測量（約500秒）可探測的最小磁場達到亞飛特斯拉水平（1fT=10的負15次方T）。
研究人員表示，這項技術將用于生物醫學中的心腦磁診斷、化學分子的極弱磁場測量（即零磁場核磁共振）、暗物質探測等領域。
（中國科大供圖）
記者4月24日從中國科學技術大學獲悉，該校彭新華教授、江敏副教授團隊首次利用暗態自旋實現極弱磁場的量子放大，磁場放大倍數突破5000倍，單次磁場測量精度達到0.1fT（1fT=10的負15次方特斯拉）水平。相關研究成果日前發表于國際學術期刊《美國國家科學院院刊》。
極弱磁場探測技術對于生產生活、國家安全以及基礎研究均具有重要意義，包括心腦磁生物醫學診斷、地質勘探、分子結構測量以及暗物質探測等多個交叉科學應用。如何在復雜的環境噪聲和技術噪聲下，突破當前磁場的測量極限，是極弱磁場探測領域的重大挑戰。量子放大利用原子、分子及粒子的自旋等可以實現微弱電磁場的超低噪聲量子放大，在諸多前沿科學應用場景如微波激射器、激光器及原子鐘等精密測量領域發揮著重要作用。然而，由于氣態自旋的初始化、相干時間和讀出靈敏度相關的約束，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。克服這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用中得到充分利用至關重要。
針對上述難題，彭新華團隊提出了暗態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驗條件，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之中，免受來自極化銣原子的干擾，發揮出量子放大更多的潛力。實驗發現處于暗態的氙原子核自旋相干時間長達6分鐘，相較以往提升了1個數量級。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自旋對弱磁信號的放大增益約為5400倍，暗態自旋放大與原子磁力計相結合，實現了單次測量（約500秒）可探測的最小磁場達到亞飛特斯拉水平（1fT=10的負15次方T）。
研究人員表示，這項技術將用于生物醫學中的心腦磁診斷、化學分子的極弱磁場測量（即零磁場核磁共振）、暗物質探測等領域。
（中國科大供圖）
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