科学家将单次测量的最小磁场提高到亚飞特斯拉水平

研究团队首次利用暗自旋实现了极弱磁场的量子放大，磁场放大倍数超过5000倍，单磁场测量精度达到0.1fT级别。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

量子放大是实现弱电磁场精确测量的有效手段，但由于气体自旋初始化、相干时间和读出灵敏度的限制，自旋量子放大的性能受到限制。克服这些限制对于释放量子放大的全部潜力非常重要。

为了解决上述问题，研究人员提出了暗态自旋量子放大的概念，并在气态氙和铷原子的混合体系中进行了实验。该系统采用气态氙原子作为放大介质，采用激光偏振的铷原子作为氙核自旋的偏振和读出手段。

与之前混合气态原子处于同一空间的实验不同，偏振、放大和读出过程通常是同时进行的。本文研究人员通过操纵实验条件，如铷原子偏振激光和氙原子偏置磁场，找到了一种将偏振、放大和读出过程分开的新方法，使氙核在暗态下自旋。量子放大过程，不受极化铷原子的干扰，发挥更大的量子放大潜力。

研究人员发现，该系统中暗态氙核的自旋相干时间长达6分钟，比之前提高了一个数量级。观察到的较长暗自旋对弱磁信号的增益被放大了约 5,400 倍。作为应用，暗自旋放大与原子磁力计的结合实现了单次测量(约500秒)最小可检测磁场达到亚飞特斯拉水平(1fT = 10 -15 T)。

这项工作为心脑磁诊断、化学分子极弱磁场测量和暗物质探测等生物医学领域带来了启示。

该研究团队由中国科学院中国科学技术大学彭新华教授和姜敏副研究员领衔。