我国学者在极弱磁场量子精密测量领域取得进展

　　

图 碱金属-惰性气体原子混合气室

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2388102）等资助下，中国科学技术大学彭新华教授、江敏副教授及其合作者在基于自旋的极弱磁场量子精密测量技术方面取得了新进展。相关成果以“原子共磁力计中的新型磁噪声自补偿效应（New Classes of Magnetic Noise Self-Compensation Effects in Atomic Comagnetometer）”为题，于2024年7月11日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett. 133.023202。

　　寻找粒子物理标准模型之外的新粒子对于探索新物理至关重要。近几十年来，标准模型外的奇异自旋相互作用激发了精密测量领域的浓厚兴趣。相关研究涉及自旋与暗物质粒子相互作用、搜寻第五力、检验永久电偶极矩、自旋引力耦合等前沿领域。这些奇异自旋相互作用会导致自旋能级的微小变化，等效于极弱磁场的作用。因此，高精度的极弱磁场测量技术成为探测这些微妙信号的全新手段。然而，这类精密测量实验普遍面临的巨大挑战是信号常会被磁噪声掩盖，或受到其他与磁场相关效应的干扰。为了解决以上难题，原子共磁力计是一种有效抑制磁噪声的工作方式，但由于其仅适应于低频噪声情形（小于1 Hz），阻碍了在广阔的未探索参数空间中对奇异自旋相互作用的实验研究。

　　研究团队长期致力于极弱磁场的自旋量子精密测量技术及其应用研究。在最新的研究成果中，团队首次发现了碱金属原子和惰性气体原子之间的法诺干涉效应，该效应利用惰性气体核自旋对不同频率磁场响应的相位差异，展现出非对称增强-抑制的磁响应线型，同时基于此现象，发展并实现了一种基于法诺共振干涉相消的磁噪声抑制方法。实验利用气态氦（³He）和钾原子混合体系，通过对多个关键实验参数的精细调控，他们发现了一类磁噪声自补偿效应，实验成功实现了从近直流到高达200 Hz范围内磁噪声超过2个量级的抑制。相比之下，之前的原子共磁力计通常只能抑制小于1 Hz的低频磁噪声。本研究有望在更广频率范围内克服磁噪声（如实验中广泛存在的约翰逊噪声等）的限制，将奇异相互作用的探测灵敏度提升1个量级，达到0.1fT/Hz^1/2水平。这项技术在基础物理研究中超越标准模型新物理的探测等领域，具有重要的科学意义和应用前景。