Frekvenssvaret för 87Rb-magnetometern på oscillerande fält längs y, assisterad med 129Xe spin-baserad förstärkare. Experimentdata (röda cirklar) erhålls genom att skanna hjälpfältets frekvenser. Den heldragna linjen är den teoretiska anpassningen av data och stämmer väl överens med experimentet. (b) Den uppmätta förstärkningsfaktorn vid olika resonansfrekvenser. Medelvärdet mäts till ≈ 128 ± 0,3. Kredit:Science China Press
Denna studie leddes av Prof. Xinhua Peng och Prof. Min Jiang som har ägnat sig åt att utveckla spin-baserade kvantteknologier för detektering av svaga magnetfält under många år.
Forskarna använde en ångcell som innehöll rumsliga överlappande kärnspinn av ädelgas (t.ex. xenon-129) och atomspinn av alkali-mentala atomer (t.ex. rubidium-87) för att etablera ultrakänsliga kvantsensorer för detektering av svaga magnetfält.
För första gången fann de att kärnsnurren kan fungera som en förförstärkare som effektivt förstärker ett sammanhängande oscillerande uppmätt magnetfält med minst två storleksordningar.
Magnetisk känslighet hos den spin-förstärkare-baserade magnetometern. 18 ft/Hz1/2 uppnås vid 129Xe Larmor-frekvens, vilket är bortom gränsen för foton-skott-brus och jämförbar med gränsen för spin-projektion-brus för själva 87Rb-magnetometern. (c) Magnetisk känslighet hos den Floquet-maserbaserade magnetometern. 700 ft/Hz1/2 uppnås och är för närvarande den bästa känsligheten. Kredit:Science China Press
De visade upp förmågan hos den spinnbaserade förstärkaren att överträffa gränsen för foton-skott-brus för rubidiummagnetometern själv, och närma sig gränsen för spin-projektion-brus för den senare. Denna upptäckt uppmuntrade dem att uppnå en ultrahög magnetisk känslighet på femtoteslanivån, som har en betydligt bättre prestanda än andra magnetometrar som demonstrerats med kärnsnurr begränsade till känsligheten för några få pikotesla.
Sedan utökade de spinnförstärkningen i Floquet-systemet, som samtidigt kan förbättra och mäta flera magnetiska fält med minst en storleksordningsförbättring, vilket erbjuder kapaciteten för femtotesla-nivåmätningar. Dessutom utvecklade de en ny "Floquet maser" på detta hybridsystem av nukleära och atomära spinn, som möjliggör femtotesla-nivå Floquet maser magnetometri för ~mHz ultralåg frekvens. Den uppnådda magnetiska känsligheten når ~700fT/Hz 1/2 under 60mHz, vilket hittills är den högsta magnetiska känsligheten i millihertzområdet.
Spin-förstärkningstekniken har visat sig söka efter ALP-signaler i frekvensområdet från 2 till 180 Hz, motsvarande ALP-massområdet från 8,3 till 744 feV. (a) Gränser för den axionliknande mörka materia-nukleonkopplingen gaNN. (b) Gränser för mörk foton-nukleonkoppling gdEDM. Kredit:Science China Press
Dessa tekniker kommer att möjliggöra "bordsskiva"-experiment i laboratorieskala för att utforska gränserna för grundläggande fysik. Nya partiklar och krafter kan generera ett exotiskt magnetfält som oscillerar vid dess Compton-frekvens på kärnan (t.ex. xenon), som kan förstärkas och sedan detekteras av denna kvantsensor med spinnförstärkning.
De genomförde en serie experiment, och de uppnådda begränsningarna för styrkorna i dessa exotiska interaktioner är avsevärt bättre än de tidigare laboratoriets. Till exempel, för ultralätt axionliknande mörk materia, förbättrar de de tidigare laboratoriebegränsningarna med minst fem storleksordningar, och för första gången överskred den nya begränsningen gränserna från astrofysiska observationer. För spinnberoende interaktioner förmedlade av axioner och andra nya ljusbosoner förbättrade de tidigare gränser med upp till två storleksordningar.
Dessa tekniker och tillämpningar, som en intressant kombination av kvantavkänningstekniker och testet av fundamental fysik (traditionellt inom partikelfysik), är tilltalande för allmänna fysiker. I framtiden kommer spinnförstärkningsteknikerna att utvecklas dramatiskt under de kommande åren och kasta nytt ljus över tillämpningar från kvantmetrologi, undersökning av dynamiken i de geomagnetiska fälten och kvantinformationsbehandling, till att sondera ny fysik utöver standardmodellen.
Forskningen publicerades i Science China Information Sciences . + Utforska vidare
