相位梯度超表面实现椭圆偏振激光泵浦原子磁力计的自旋手性检测与超高灵敏度测量

研究人员针对原子磁力计(AMs)在弱磁场测量中面临的光路复杂、体积庞大等问题，创新性地将相位梯度超表面(PGM)应用于椭圆偏振原子磁力计(EPAMs)设计。通过高交叉偏振透射率的PGM实现原子自旋手性检测，在约10,000 nT背景磁场下达到2.67 pT/Hz1/2的超高灵敏度，同时将光学系统尺寸缩小至3 mm×3 mm×0.7 mm，为量子精密测量领域提供了新型芯片级解决方案。

　　

在量子精密测量领域，原子磁力计(Atomic Magnetometer, AM)因其超高灵敏度已成为探测微弱磁场的利器，广泛应用于空间探测、医学诊断和地质勘探等领域。然而传统双光束AM面临光学系统复杂、体积庞大等瓶颈问题——偏振分光的不对称性、机械压制玻璃元件与硅基工艺不兼容等限制，使得高灵敏度与小型化难以兼得。这就像试图将一台精密天文望远镜塞进智能手机里，迫切需要突破性的光学设计革命。

这时，能灵活操控光场的超表面(Metasurface)进入了科学家视野。这种亚波长纳米结构阵列可实现对光波振幅、相位、偏振等多维度的精确调控，且与硅基芯片工艺天然兼容。Jiahao Zhang和Shuo Sun等研究者敏锐地捕捉到这一机遇，在《PhotoniX》发表的研究中，创新性地将相位梯度超表面(Phase-Gradient Metasurface, PGM)与椭圆偏振激光泵浦技术结合，打造出仅有3毫米见方的"光学魔术贴"，成功破解了AM小型化与高性能不可兼得的困局。

研究团队采用三项核心技术：1)基于非晶硅(a-Si)纳米棒设计PB相位梯度超表面，通过旋转角度控制实现93.5%的交叉偏振转换效率；2)构建椭圆偏振光(EP)单光束系统，同步完成原子泵浦与探测；3)开发自旋手性检测方案，将拉莫尔进动(Larmor precession)信号转化为圆偏振基态差分测量。实验使用87Rb原子气室，在95℃和10,000 nT地磁环境下验证性能。

【PGM设计与性能】

研究团队设计的超表面单元由周期排列的a-Si纳米棒构成，通过旋转角度梯度产生Pancharatnam-Berry(PB)相位。优化后的纳米棒尺寸为220 nm×110 nm×600 nm，在795 nm波长(87Rb的D₁线)处实现93.5%的交叉偏振透射率。扫描电镜显示制备的3 mm×3 mm超表面结构均匀，仿真证实其对左右旋圆偏振光(LCP/RCP)产生41.5°的对称分束效果。这种"光学分束器"比传统光学元件体积缩小了两个数量级。

【原子自旋检测新机制】

创新的检测方案将光学旋转角θ与差分光强关联：sin2θ∝(I_R-I_L)/(I_R+I_L)。实验显示，当线偏振光通过模拟原子气室的半波片旋转时，PGM分束的RCP/LCP光强呈现完美反相正弦变化，差分信号与理论预测吻合。在5°-40°椭圆度范围内，系统均保持良好线性响应，为实际AM应用提供了参数调节空间。

【地磁环境下的卓越性能】

构建的PGM-EPAM系统在接近地磁强度(~10,000 nT)下测得70 kHz拉莫尔频率信号。噪声谱分析显示，在10 Hz处达到2.67 pT/Hz^1/2的灵敏度，较传统正交双光束AM(4.82 pT/Hz^1/2)提升45%。更引人注目的是，该系统将探头体积压缩至50.6 mm×26 mm×27.5 mm，比传统架构减小53%。

这项研究开创性地将超表面光学与量子传感深度融合，其意义远超单一器件创新：首先，PGM实现的光学旋转检测为原子自旋测量提供了新范式，其圆偏振基态检测机制从根本上抑制了共模噪声；其次，单光束EP架构颠覆了传统AM必须分离泵浦/探测光路的设计教条；更重要的是，该工作为量子传感器与硅基光电集成开辟了新路径，使得未来在芯片上构建"原子传感实验室"成为可能。正如研究者所言，这不仅是超表面应用疆域的拓展，更是为高灵敏度芯片级AM设计树立了新标杆。当纳米光子学与量子技术如此完美邂逅，或许下一代智能手机内置的量子指南针已不再遥远。