中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副教授團隊在極弱磁場量子精密測量領域取得重要進展，發(fā)現(xiàn)了混合原子自旋之間的法諾共振干涉效應，提出了全新的磁噪聲抑制技術，成功降低磁噪聲干擾至少2個數(shù)量級。相關研究成果以“New Classes of Magnetic Noise Self-Compensation Effects in Atomic Comagnetometer”為題發(fā)表于國際著名學術期刊《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 133, 023202 (2024)]。
 

　　在過去數(shù)十年中，超越粒子物理標準模型的奇異自旋相互作用，已引起精密測量領域的廣泛關注。這些奇異自旋相互作用涵蓋了很多前沿領域，例如搜尋自旋-暗物質粒子相互作用、第五力、永久電偶極矩、自旋-引力耦合，以及對CPT和洛倫茲不變性的檢驗等。在這些精密實驗中，奇異相互作用可以引起自旋的微小能級移動，從而等效為作用在自旋上的磁場，極弱磁場測量技術為檢驗這類微弱磁場信號提供了全新手段。其中，彭新華教授、江敏副教授團隊在2021年首次利用基于氙原子(Xe129)的自旋放大器，開展了暗物質的直接搜尋實驗并且首次突破宇宙天文學界限(SN1987A)[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，還完成多個奇異相互作用實驗[Sci. Adv.7,eabi9535 (2021), Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。然而，這些研究普遍面臨一個巨大的實驗挑戰(zhàn)：信號極其微弱，常被噪聲背景掩蓋，尤其是容易受到磁噪聲及其他與磁場相關的系統(tǒng)性效應的干擾。為了克服這些挑戰(zhàn)，原子共磁力計提供了一個重要的解決方案，它利用兩種不同的自旋來減小磁場漂移和波動的影響。然而，以往原子共磁力計僅對低頻磁噪聲(小于1Hz)有效，嚴重阻礙了在廣闊的未探索參數(shù)空間中對奇異自旋相互作用的實驗搜尋。
 

　　針對上述難題，研究團隊發(fā)展了基于法諾共振干涉相消的磁噪聲抑制方法，并在氣態(tài)氦和鉀原子混合體系中進行了實驗驗證。在該體系中，被激光極化的鉀原子作為氣態(tài)氦原子核自旋的極化和讀出手段，通過自旋交換碰撞實現(xiàn)對氦原子核自旋的極化。其中的核心思想是，鉀原子和氦原子間的自旋交換耦合還導致它們各自感受到來自另一種原子的等效磁場，其中鉀原子感受到的氦原子等效磁場和外界磁噪聲發(fā)生相消干涉時就實現(xiàn)了磁噪聲抑制。在以往的實驗中，偏置磁場通常需要設定為與氦原子產(chǎn)生的等效場等大反向，以使氦原子核自旋絕熱地隨外界低頻磁噪聲變化從而達到抑制效果。本文研究人員在實驗中發(fā)現(xiàn)，通過改變施加的偏置磁場大小，同時相應調(diào)整探測方向與外界特定頻率磁噪聲之間的夾角，可以實現(xiàn)對更高頻率磁噪聲的有效抑制，并從法諾共振干涉相消這個新的角度為實驗現(xiàn)象提供了完整而精確的理論解釋。研究人員利用上述磁噪聲自補償效應在實驗上展示了從近直流到高達200Hz范圍內(nèi)對磁噪聲的抑制，且抑制倍數(shù)均在2個量級以上。
 

　　圖 1：共磁力計在不同頻率處測得響應大小及法諾線型擬合結果。圖中“法諾干涉抑制”頻率處可實現(xiàn)2個量級以上的磁噪聲抑制
 

　　該項工作指出，在磁探測靈敏度受磁噪聲(如磁屏蔽材料產(chǎn)生的約翰遜噪聲等)限制的情形下，利用該磁噪聲自補償效應有望將贗磁場探測靈敏度提升1個量級，在更廣頻率范圍內(nèi)達到0.1fT/Hz1/2水平。這項技術將用于基礎物理研究中的暗物質探測、奇異自旋相互作用的探測等領域，具有重要的科學意義和應用前景。
 

　　中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生秦毓舒、邵朕涵為該文共同第一作者，彭新華教授、江敏副教授為該文通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助。(中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)