中国科大揭示相互作用原子自旋的磁场量子放大机制

中国科学技术大学自旋磁共振实验室彭新华教授与江敏教授团队在极弱磁场量子精密测量方面取得重要突破。研究团队将原子自旋之间的相互作用作为提升量子精密测量性能的关键资源，首次揭示了相互作用原子自旋在磁场中的量子放大机制。在此基础上，研究团队不仅在理论上预言，还在实验中成功实现了相互作用自旋气体的磁场放大（amplification）和磁场反放大（deamplification）效应，为量子精密测量技术的发展开辟了全新的研究路径。相关成果于5月8日以“amplification mechanism with interacting atomic gases”为题发表在国际权威期刊《美国国家科学院院刊》上。

极弱磁场探测是21世纪现代传感技术的重要组成部分，在工业生产、国家安全及基础科学研究等领域具有广泛应用。如何进一步提升现有技术的灵敏度，已成为当前国际前沿研究的重点方向之一。利用原子、分子或自旋体系作为电磁场的量子放大器，因其具备超低噪声特性，有望突破传统传感器的极限性能。例如，微波激射器可放大108至1011Hz范围内的微波信号（曾获1964年诺贝尔奖），激光器则广泛应用于1014至1015Hz的可见光频段，而自由电子激光器更是将测量能力扩展到紫外线乃至X射线波段，频率覆盖高达1016至1017Hz。这些技术进步推动了深空通信、射电天文、医学成像以及原子钟等领域的快速发展。近年来，彭新华教授团队在2021年至2024年间首次发现惰性气体原子自旋对极弱磁场的量子放大现象，并通过一系列研究将磁场探测灵敏度提升至亚fT量级。然而，此前的研究仍主要集中在非相互作用自旋系统中，在磁场增益和带宽等方面仍有较大提升空间。

图（a）展示了相互作用自旋气体系统及其放大机制的示意图；（b）显示静磁场对信号放大关键参数的影响。

围绕上述挑战，该研究从理论与实验两个层面深入探讨了相互作用原子气体的量子放大机制。研究中采用碱金属（Rb原子）与惰性气体（129Xe原子）共存的混合气体体系，二者在同一个气室中发生频繁的自旋交换碰撞，从而形成相干耦合的相互作用系统。碱金属具备丰富的光学跃迁特性，而惰性气体虽然寿命较长但缺乏直接的光学激发通道。针对两个核心问题：一是原子间相互作用如何调控自旋气体的电磁响应；二是哪些物理参数影响信号放大过程，研究团队展开了系统性探索。对于第一个问题，研究发现相互作用能够引发两种不同的磁场响应行为：放大与反放大。实验结果表明，在放大区域内，磁场信号增强可达两个数量级以上，所设计的原子放大器在低于100 Hz的低频段实现了fT级别的超低噪声。此外，研究团队还提出了一种“反放大”量子测量方法，可在特定频率范围内实现超过10倍的磁噪声抑制。关于第二个问题，团队详细分析了静磁场强度、系统空间取向以及相互作用强度等多个参数对放大性能的影响，并给出了相应的理论解释与实验验证。

研究团队还进一步探索了当碱金属与惰性气体自旋进入强相互作用区域时的放大行为，首次揭示了此前未被观测的强相互作用自旋气体放大效应。这一新机制在显著拓宽测量带宽的同时，也极大提升了放大增益，具有重要的应用前景，或将为计量学提供全新工具。以氦-3惰性气体为例，在强相互作用条件下，其性能有望超越目前SERF磁力计的极限，灵敏度预计可达到1aT水平。这项成果为包括地球物理勘探、暗物质探测在内的多个精密测量领域带来了新的发展机遇。

本论文的共同第一作者为江敏教授与博士研究生秦毓舒，通讯作者为彭新华教授。该项目得到了国家自然科学基金委与科技部等机构的资助支持。

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