Advanced Quantum Technologies:首次观测到原子系综量子传感器的干涉效应

基于原子系综的原子磁力计(atomic magnetometer)是目前世界上最灵敏的磁场传感器,它能够测量到比地磁场小100亿倍的极微弱磁场,在脑磁心磁诊断、材料科学、生物医学、以及检验基础物理等方面具有广泛的应用。近期,中国科学技术大学的彭新华教授研究团队与德国多特蒙德大学Dieter Suter教授合作,首次发现原子系综量子传感器的干涉效应,这一成果有望推进超高精度磁场测量研究。该研究发现超高灵敏度原子磁力计中存在一种从未被发现的磁场干涉效应,进一步研究表明,此干涉效应广泛地存在于不同类型的原子磁力计。

   图1:左图为该工作设计的超低场核磁共振谱仪;右图为原子磁力计原理示意图

(原理示意图由黄雯、陈磊、柏江竹和徐凌设计制作)

图2:上图为化学分子的非对称核磁共振谱线;下图为量子传感器的干涉效应模型

该干涉效应的发现也颇为意外,彭新华教授团队在利用自主搭建的原子磁力计探测超低场核磁共振(Ultralow-field NMR,如图1)时,意外观测到一种令人费解的现象:核磁共振的谱线强度总是呈现非对称性(如图2),这与以往的理论预测完全不同。早在2011年,加州伯克利大学Dmitry Budker团队也观测到类似“非对称”现象以及近期国际上相关工作也报道过类似现象,但其深层机理一直未被揭示。针对该悬而未决的问题,研究团队通过理论分析和实验检验,提出原子磁力计的干涉效应机制(如图2),成功破解了国际上悬而未决的“非对称性”问题。“化学分子同一跃迁频率产生的磁场空间分量在原子磁力计中产生干涉相消或者相长,干涉强度由分子自旋的量子态决定”,该工作的第一作者江敏博士解释道。

该工作还进一步提出一套检验量子传感器的干涉效应标准方法,利用该方法可以纠正干涉效应产生的误差,适用于不同的量子传感器,例如金刚石色心磁力计,冷原子磁力计等。研究者相信,此工作未来将可以应用于高灵敏度原子磁力计的不同应用领域,例如脑磁和心磁测量等,从而进一步推动高精度磁场测量研究。

相关论文在线发表在Advanced Quantum Technologies上(DOI:10.1002/qute.202000078)。