量子精密測量領域新進展：中國科大首次在弗羅凱量子體系上實現(xiàn)微波激射器

2月25日消息（余予）我國在量子精密測量領域取得重要進展，首次在弗羅凱量子體系上實現(xiàn)微波激射器。

來自中國科大的消息顯示，中國科大中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授研究組及其合作者首次在弗羅凱量子體系上實現(xiàn)微波激射器，為超高精度超低頻磁場測量以及暗物質(zhì)搜尋等研究提供了全新的途徑。

據(jù)了解，微波激射器（maser）是利用電磁波與原子或分子等量子系統(tǒng)的共振相互作用，在微波波段獲得放大或振蕩的量子器件。自從1954年第一臺微波激射器被成功實現(xiàn)后，它已催生出若干革命性技術，例如激光器、原子鐘和量子放大器。由于這些微波激射器技術在實際生活和科學研究中發(fā)揮著不可替代的作用，為此諾貝爾物理學獎曾多次授予該領域。

然而，盡管微波激射器的研究歷史已有60多年，但迄今為止只有少數(shù)的物質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)微波激射器，目前僅在靜態(tài)體系上實現(xiàn)過。對于含時周期變化的體系（即所謂的弗羅凱體系，F(xiàn)loquet system），之前未有任何的理論和實驗報道。

此次研究首次從理論上提出這種新型微波激射器的可行性，并成功在核自旋體系上實驗實現(xiàn)。

為實現(xiàn)這一目標需克服諸多挑戰(zhàn)：

（1）通常情況下，原子核自旋的布居度只有百萬分之一，遠達不到微波激射器的閾值條件。為此，研究人員采用同位素惰性氣體氙氣（129Xe）作為微波激射器介質(zhì)，利用自旋交換碰撞方法，成功將129Xe核自旋的布居度提高5個數(shù)量級。

圖左：弗羅凱微波激射器裝置；圖中：弗羅凱量子態(tài)和能級；圖右：弗羅凱微波激射器的頻譜。

（2）以往微波激射器需要實現(xiàn)布居度的反轉(zhuǎn)，已致許多體系無法用于建造微波激射器。研究人員設計了一套精巧的外腔反饋控制系統(tǒng)（如圖左），消除了傳統(tǒng)微波激射器對反轉(zhuǎn)布居度的苛刻要求，擴大了微波激射器的適用范圍。在解決以上兩個挑戰(zhàn)的基礎上，進一步利用射頻磁場周期調(diào)制氙自旋體系的能級分裂，從而形成弗羅凱量子態(tài)（Floquet state）（如圖中）。經(jīng)過兩年多的努力，研究團隊首次觀測到了弗羅凱量子態(tài)之間的受激輻射，標志著在周期變化的量子體系上實現(xiàn)了微波激射器。這種新型微波激射器完全不同于以往，它呈現(xiàn)多個相位鎖定的多頻振蕩，它們的頻率值等于弗羅凱能級間距，該現(xiàn)象類似于“頻率梳”結構（如圖右）。在本工作中，研究人員還利用該微波激射器攻克了低頻磁場噪聲難題，實現(xiàn)了迄今為止超低頻段（1-100 mHz）最高的磁場測量靈敏度。

這項研究成果以“Floquet maser”為題，于2021年2月18日在線發(fā)表在國際學術期刊《Science Advances》[Science Advances 7, eabe0719 (2021)]。同期《Science》“展望”欄目和國際知名學術網(wǎng)站Phys.org分別以“A masing ladder”和“Extending maser techniques to Floquet systems”為題專文報道了該工作。

本文作者將這種全新的量子器件命名為弗羅凱微波激射器（Floquet maser）。該研究工作建立起一座連接弗羅凱物理（Floquet physics）和微波激射器的橋梁，有望在廣泛的量子體系上實現(xiàn)微波激射器，為精密測量研究提供全新的技術手段。

《Science》雜志以專文報道該工作，盛贊其“展示了全新的微波激射器”， “能夠有效克服以往精密測量的低頻噪聲難題”，“為實現(xiàn)伽馬激光提供了新可能性”，“該工作有望應用于高精度時鐘以及探測超輕暗物質(zhì)”。

中國科學院微觀磁共振重點實驗室的江敏博士后為論文第一作者，彭新華教授為通訊作者。此項研究得到了科技部、國家自然科學基金委和安徽省的資助。

論文鏈接：http://m.ygpos.cn/uploadfile/2021/0226/202102260748508G

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