中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋共振實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏教授等在自旋量子精密測(cè)量方面取得重要進(jìn)展，將量子精密測(cè)量與核磁共振、最優(yōu)濾波技術(shù)等相結(jié)合，針對(duì)多種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的自旋相互作用開(kāi)展了系統(tǒng)性搜尋實(shí)驗(yàn)，在觀測(cè)窗口內(nèi)將國(guó)際上的探測(cè)界限提升了至少17個(gè)數(shù)量級(jí)。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(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

量子精密測(cè)量利用量子力學(xué)基本原理，展現(xiàn)出突破經(jīng)典測(cè)量極限的巨大潛力，為電磁場(chǎng)、時(shí)間、轉(zhuǎn)動(dòng)等物理量的超高精度測(cè)量提供了革命性途徑。近年來(lái)，基于自旋體系的極弱磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)取得重大突破，其靈敏度已突破1fT（即10-15T）量級(jí)，開(kāi)啟了極弱磁場(chǎng)探測(cè)的量子時(shí)代。在本工作中，研究組利用惰性氣體核自旋體系作為磁場(chǎng)量子探測(cè)器，提出并且實(shí)現(xiàn)了超靈敏極弱磁場(chǎng)探測(cè)[圖1(a)]，主要得益于兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。首先，利用惰性氣體核自旋共振增強(qiáng)待測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)，其共振放大機(jī)制源于當(dāng)待測(cè)交流磁場(chǎng)頻率與核自旋拉莫進(jìn)動(dòng)頻率匹配時(shí)，將引發(fā)核自旋的集體相干響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)145倍的磁場(chǎng)信號(hào)放大。其次，結(jié)合極弱磁信號(hào)的最優(yōu)濾波技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建與待測(cè)磁場(chǎng)波形匹配的線性濾波器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的最優(yōu)提取，將系統(tǒng)信噪比提升至理論極限水平，有效抑制了環(huán)境噪聲。 

進(jìn)一步，該工作將以上自旋量子測(cè)量技術(shù)用于超越標(biāo)準(zhǔn)模型自旋相互作用的實(shí)驗(yàn)搜索中。這種奇異自旋相互作用表現(xiàn)為兩個(gè)129Xe自旋系綜之間的長(zhǎng)程相互作用——其中一個(gè)系綜是自旋量子測(cè)量傳感器，另一個(gè)作為可控自旋源，而超越標(biāo)準(zhǔn)模型的玻色子作為傳播子。通過(guò)精確調(diào)控自旋源中129 Xe的極化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)奇異自旋相互作用強(qiáng)度的主動(dòng)調(diào)制。利用129Xe核磁共振精密測(cè)量技術(shù)，將奇異自旋相互作用的強(qiáng)度限制在10-8Hz量級(jí)以下，對(duì)應(yīng)的能量分辨率高達(dá)10??3eV。這一結(jié)果在6.0–157.4μeV質(zhì)量范圍內(nèi)對(duì)新玻色子[圖1(b)]給出了迄今為止最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)約束。相較于此前同質(zhì)量區(qū)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，約束界限提升了17個(gè)數(shù)量級(jí)。該工作發(fā)展的自旋量子精密測(cè)量技術(shù)為未來(lái)探索各類超越標(biāo)準(zhǔn)模型的自旋相互作用開(kāi)辟了新的研究途徑，在新物理搜尋和精密測(cè)量領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。

圖1： (a)自旋量子測(cè)量傳感器與自旋源；(b)新玻色子的實(shí)驗(yàn)界限。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋共振實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)博士后基金會(huì)等資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.223201

（物理學(xué)院、科研部）

新聞鏈接：https://news.ustc.edu.cn/info/1055/91843.htm

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