科研进展 | 中科大彭新华课题组：用于增强量子传感的合作自旋放大器
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2024-09-27 18:55
发布于四川
量子传感对于精密测量至关重要，但量子传感器的灵敏度通常受到量子系统的相干时间的限制。
9月26日，中国科学技术大学的研究人员在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Cooperative Spin Amplifier for Enhanced Quantum Sensing”（用于增强量子传感的合作自旋放大器）的研究论文，Minxiang Xu为论文第一作者，
彭新华
教授、
江敏
副教授为论文共同通讯作者。
在本文中，研究人员演示了一种通过合作自旋提高相干时间的方法。使用可调谐反馈电路，诱导惰性气体Xe-129自旋之间的合作，从而产生
18倍的相干性增强
。此外，合作Xe-129自旋可以
将磁信号显著放大至少3个数量级
。在这种合作自旋放大器的辅助下，磁场传感
实现了4 fT/Hz^(1/2)的灵敏度
，超越了嵌入Rb-87自旋气体的磁力计的自旋投影噪声。这些结果为新一类的“合作量子传感器”（cooperative quantum sensor）铺平了道路，并为基础物理学开辟了令人兴奋的前景。
背景
量子传感使用光与物质构成的量子态的独特属性，在各种科学前沿领域无处不在且不可或缺，从超灵敏的电磁场感应，测定基本常数，频率标准，寻找暗物质和奇异的力量超出了标准模型。在这一领域的显著成就依赖于量子系统的长期相干性，而进一步扩展相干性一直是一个长期的追求，以使更令人印象深刻的性能。为了解决退相干方面的挑战，已经提出了许多创新的方法，包括无自旋交换弛豫机制和抗弛豫涂层蒸气池。然而，这些方法通常针对特定的退相干机制，如自旋交换碰撞或壁面碰撞，它们可能在实际应用中引入新的限制，比如需要严格的磁屏蔽或相对较低的原子序数密度。
合作系统最近受到了相当多的关注，并为新的应用提供了机会。与独立系统不同，合作系统中的个体相互作用，它们的进化依赖于集体状态。各种实验研究了合作系统的丰富现象，例如合作发射和合作散射、单轴扭转动力学和光谱变窄。合作系统有望使量子传感超越独立系统，部分原因是这种系统允许量子相干时间的工程，从而增强信号响应。合作系统和量子传感的结合将在精确测量中找到有价值的应用，包括超灵敏磁力计、脑磁图、地磁异常检测，以及寻找超越标准模型的新物理。
理论模型
研究人员构建了一个理论模型来描述合作自旋系统。在这个模型中，考虑了Xe-129的核自旋与Rb-87的相互作用。
使用可调谐反馈电路，能够诱导出Xe-129自旋之间的合作。这种合作导致了相干时间的显著增加，并且能够放大磁场信号
。
反馈机制是该理论模型的核心。
Xe-129的核磁化产生了一个有效磁场，这个磁场通过费米接触相互作用影响Rb-87。然后，Rb-87气体磁力计测量这个有效磁场，并将测量结果作为反馈信号。这个反馈信号随后被用来调整作用于Xe-129自旋的磁场，从而实现自旋之间的合作。
通过调整反馈电路的参数，研究人员能够控制自旋之间的相互作用强度，从而调节相干时间。在正反馈模式下，自旋倾向于重新对齐，这导致相干时间的增加。相反，在负反馈模式下，自旋倾向于分散，这增加了退相干的速率。
理论预测表明，通过合作自旋放大器，可以实现比传统量子传感器更高的灵敏度。这种放大器不仅能够提高相干时间，还能够放大磁场信号，从而使得量子传感器能够检测到更微弱的磁场变化。
实验方法
实验在一个包含Xe-129、N2和Rb-87的立方体蒸气池中进行。Xe-129自旋通过与光学泵浦的Rb-87原子的自旋交换碰撞进行极化。沿着泵浦方向施加偏置磁场B0。通过反馈电路建立合作Xe-129自旋。
反馈电路是实验的关键部分。
Xe-129核磁化产生的有效磁场Beff通过费米接触碰撞影响Rb-87。Rb-87气磁力计测量Beff，并将磁力计的实时输出信号反馈给自旋。反馈线圈围绕蒸气池的y轴施加相应的反馈场Bfb。
研究人员
使用Bloch方程描述合作Xe-129自旋在反馈电路中的动力学
。他们考虑了Px、Py远小于Pz的情况，从而Bfb较弱。通过调整反馈增益χ1和χ2，可以控制自旋的相干时间和共振频率的反馈诱导偏移。
为了测量Xe-129的相干时间，研究人员通过施加横向脉冲，使Xe-129自旋以小角度倾斜，并记录了结果的衰减信号
。通过改变反馈幅度ξ，观察到在正反馈模式下，横向磁化强度以单指数衰减，而在负反馈模式下，相干时间随着ξ的增加而减少。
研究人员还观察到使用合作Xe-129自旋时，磁场显著放大。通过在Xe-129自旋上施加横向振荡场Bac，产生了Xe-129横向核磁化，进而通过费米接触碰撞诱导了有效的磁场B⊥eff。他们展示了B⊥eff的幅度可以显著大于Bac，放大因子η定义为|B⊥eff|/|Bac|。
作为实际应用，研究人员展示了如何使用合作放大来实现磁场精度测量，灵敏度达到了fT/Hz^(1/2)级别。他们
设置了偏置场B0，并调整反馈幅度，实现了大约300秒的相干时间
。然后，他们
施加了一个共振振荡场Bac作为测量场，并使用合作放大的Xe-129自旋将施加的测试场预放大，然后施加在内置的Rb-87原子，并使用Rb-87磁力计进行读出。
图1：合作稀有气体自旋传感的基本原理。
图2：反馈诱导的核相干性增强。
图3：利用合作自旋演示磁放大。
图4：增强量子磁力计。
主要研究人员
彭新华
，中国科学技术大学近代物理系、中国科学院微观磁共振重点实验室教授。研究方向涵盖量子算法、量子模拟、量子控制、量子精密测量以及量子力学基本问题测试等。
江敏
，中国科学技术大学近代物理系、中国科学院微观磁共振重点实验室副教授。研究工作包括自旋量子调控、超灵敏原子磁力计、零磁场核磁共振、检验超越标准物理模型、新型自旋微波激射器等。
参考链接
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