【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學自旋共振實驗室彭新華教授、江敏教授等在自旋量子精密測量方面取得重要進展，將量子精密測量與核磁共振、最優濾波技術等相結合，針對多種超越標準模型的自旋相互作用開展了系統性搜尋實驗，在觀測窗口內將國際上的探測界限提升了至少17個數量級。這一重要研究成果于6月2日以“Limits on Anomalous Spin-Spin Interactions Using Noble-Gas Nuclear Magnetic Resonance”為題發表于國際著名學術期刊《物理評論快報》上。
量子精密測量利用量子力學基本原理，展現出突破經典測量極限的巨大潛力，為電磁場、時間、轉動等物理量的超高精度測量提供了革命性途徑。近年來，基于自旋體系的極弱磁場探測技術取得重大突破，其靈敏度已突破1fT(即10-15T)量級，開啟了極弱磁場探測的量子時代。在本工作中，研究組利用惰性氣體核自旋體系作為磁場量子探測器，提出并且實現了超靈敏極弱磁場探測[圖1(a)]，主要得益于兩個關鍵技術的發展。首先，利用惰性氣體核自旋共振增強待測磁場信號，其共振放大機制源于當待測交流磁場頻率與核自旋拉莫進動頻率匹配時，將引發核自旋的集體相干響應，實驗實現了高達145倍的磁場信號放大。其次，結合極弱磁信號的最優濾波技術，通過構建與待測磁場波形匹配的線性濾波器，實現了信號的最優提取，將系統信噪比提升至理論極限水平，有效抑制了環境噪聲。
進一步，該工作將以上自旋量子測量技術用于超越標準模型自旋相互作用的實驗搜索中。這種奇異自旋相互作用表現為兩個129Xe自旋系綜之間的長程相互作用——其中一個系綜是自旋量子測量傳感器，另一個作為可控自旋源，而超越標準模型的玻色子作為傳播子。通過精確調控自旋源中129 Xe的極化狀態，實現了對奇異自旋相互作用強度的主動調制。利用129Xe核磁共振精密測量技術，將奇異自旋相互作用的強度限制在10-8Hz量級以下，對應的能量分辨率高達10??³eV。這一結果在6.0–157.4μeV質量范圍內對新玻色子[圖1(b)]給出了迄今為止最嚴格的實驗約束。相較于此前同質量區間的實驗結果，約束界限提升了17個數量級。該工作發展的自旋量子精密測量技術為未來探索各類超越標準模型的自旋相互作用開辟了新的研究途徑，在新物理搜尋和精密測量領域具有重要的科學意義。
圖1： (a)自旋量子測量傳感器與自旋源；(b)新玻色子的實驗界限。
中國科學技術大學自旋共振實驗室博士后蘇昊文、碩士研究生胡世舉為該文的共同第一作者，江敏教授、彭新華教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、中國博士后基金會等資助。
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