2 月 25 日消息，我國(guó)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在弗羅凱量子體系上實(shí)現(xiàn)微波激射器。
來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示，中國(guó)科大中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授研究組及其合作者首次在弗羅凱量子體系上實(shí)現(xiàn)微波激射器，為超高精度超低頻磁場(chǎng)測(cè)量以及暗物質(zhì)搜尋等研究提供了全新的途徑。
據(jù)了解，微波激射器(maser)是利用電磁波與原子或分子等量子系統(tǒng)的共振相互作用，在微波波段獲得放大或振蕩的量子器件。自從 1954 年第一臺(tái)微波激射器被成功實(shí)現(xiàn)后，它已催生出若干革命性技術(shù)，例如激光器、原子鐘和量子放大器。由于這些微波激射器技術(shù)在實(shí)際生活和科學(xué)研究中發(fā)揮著不可替代的作用，為此諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)曾多次授予該領(lǐng)域。
然而，盡管微波激射器的研究歷史已有 60 多年，但迄今為止只有少數(shù)的物質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)微波激射器，目前僅在靜態(tài)體系上實(shí)現(xiàn)過(guò)。對(duì)于含時(shí)周期變化的體系(即所謂的弗羅凱體系，F(xiàn)loquet system)，之前未有任何的理論和實(shí)驗(yàn)報(bào)道。
此次研究首次從理論上提出這種新型微波激射器的可行性，并成功在核自旋體系上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。
為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需克服諸多挑戰(zhàn)：
(1)通常情況下，原子核自旋的布居度只有百萬(wàn)分之一，遠(yuǎn)達(dá)不到微波激射器的閾值條件。
為此，研究人員采用同位素惰性氣體氙氣(129Xe)作為微波激射器介質(zhì)，利用自旋交換碰撞方法，成功將 129Xe 核自旋的布居度提高 5 個(gè)數(shù)量級(jí)。
(2)以往微波激射器需要實(shí)現(xiàn)布居度的反轉(zhuǎn)，已致許多體系無(wú)法用于建造微波激射器。
研究人員設(shè)計(jì)了一套精巧的外腔反饋控制系統(tǒng)(如圖左)，消除了傳統(tǒng)微波激射器對(duì)反轉(zhuǎn)布居度的苛刻要求，擴(kuò)大了微波激射器的適用范圍。
在解決以上兩個(gè)挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用射頻磁場(chǎng)周期調(diào)制氙自旋體系的能級(jí)分裂，從而形成弗羅凱量子態(tài)(Floquet state)(如圖中)。
經(jīng)過(guò)兩年多的努力，研究團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到了弗羅凱量子態(tài)之間的受激輻射，標(biāo)志著在周期變化的量子體系上實(shí)現(xiàn)了微波激射器。這種新型微波激射器完全不同于以往，它呈現(xiàn)多個(gè)相位鎖定的多頻振蕩，它們的頻率值等于弗羅凱能級(jí)間距，該現(xiàn)象類似于 “頻率梳”結(jié)構(gòu)(如圖右)。在本工作中，研究人員還利用該微波激射器攻克了低頻磁場(chǎng)噪聲難題，實(shí)現(xiàn)了迄今為止超低頻段(1-100 mHz)最高的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度。
這項(xiàng)研究成果以 “Floquet maser”為題，于 2021 年 2 月 18 日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》[Science Advances 7, eabe0719 (2021)]。同期《Science》“展望”欄目和國(guó)際知名學(xué)術(shù)網(wǎng)站 Phys.org 分別以 “A masing ladder”和 “Extending maser techniques to Floquet systems”為題專文報(bào)道了該工作。
本文作者將這種全新的量子器件命名為弗羅凱微波激射器(Floquet maser)。該研究工作建立起一座連接弗羅凱物理(Floquet physics)和微波激射器的橋梁，有望在廣泛的量子體系上實(shí)現(xiàn)微波激射器，為精密測(cè)量研究提供全新的技術(shù)手段。
《Science》雜志以專文報(bào)道該工作，盛贊其 “展示了全新的微波激射器”，“能夠有效克服以往精密測(cè)量的低頻噪聲難題”，“為實(shí)現(xiàn)伽馬激光提供了新可能性”，“該工作有望應(yīng)用于高精度時(shí)鐘以及探測(cè)超輕暗物質(zhì)”。
中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的江敏博士后為論文第一作者，彭新華教授為通訊作者。此項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和安徽省的資助。
