Университет науки и технологий Китая реализовал холодноатомный комагнитометр

Недавно Университет науки и технологий Китая совместно с Национальной лабораторией Хэфэя, в сотрудничестве с Лу Чжэнтянем, Ся Тянем и другими, реализовал холодноатомный комагнитометр с использованием методов оптического квантового управления. Исследовательская группа совместно удерживала два изотопа атомов иттербия в одной оптической ловушке и синхронно измеряла их спиновую прецессию, достигнув коэффициента подавления магнитного шума более чем в 30 000 раз. Данный результат создал платформу спинового зондирования с микрометровым пространственным разрешением, открыв новый путь для изучения короткодействующих взаимодействий, связанных со спином. Соответствующее исследование под названием “Cold-atom comagnetometry via optical control of spin states” было опубликовано 17 августа в журнале “Nature Photonics”.

Атомные спиновые датчики широко применяются в прецизионных измерениях и квантовой информатике. Комагнитометр одновременно и в одном месте измеряет две спиновые системы с различными гиромагнитными отношениями и сравнивает частоты их спиновой прецессии, устраняя эффекты флуктуаций общего магнитного поля, сохраняя при этом чувствительный отклик на сдвиги энергетических уровней спиновых состояний, вызванные не магнитными взаимодействиями. Традиционные комагнитометры на газовых ячейках уже играют важную роль в проверке фундаментальной физики, однако их пространственный масштаб ограничен размерами и толщиной стенок ячейки. В отличие от них, холодные атомы могут удерживаться лазером в области микрометрового масштаба, что обеспечивает чрезвычайно высокое пространственное разрешение.

Рис. 1. Схема холодноатомного комагнитометра на иттербии и сигналы спиновой прецессии атомов двух изотопов

В данной работе исследовательская группа совместно удерживала два изотопа 171Yb (спин 1/2) и 173Yb (спин 5/2) в одномерной оптической решётке, создав холодноатомный комагнитометр на основе чистых ядерных спинов. Ключевой задачей для достижения длительной спиновой когерентности в холодноатомной системе является подавление эффектов декогеренции, вызванных оптическим сдвигом частоты в оптической решётке. Для 171Yb структура со спином 1/2 естественным образом не подвержена влиянию тензорного оптического сдвига частоты; для 173Yb с высоким спином исследовательская группа использовала спиновое состояние Шрёдингера-кота, что сделало частоту его прецессии нечувствительной к тензорному оптическому сдвигу частоты. Ранее группа уже решила проблему декогеренции из-за тензорного оптического сдвига частоты в системах с высоким спином, используя этот метод [Nat. Photon. 19, 89 (2025)].

В данной работе исследовательская группа дополнительно обнаружила систематический эффект, возникающий из-за связи остаточного тензорного оптического сдвига частоты с эффектом Зеемана, объяснила его с помощью теории возмущений второго порядка и экспериментально провела коррекцию. Сочетая контроль векторного и тензорного оптического сдвига частоты, исследовательская группа провела синхронные интерферометрические измерения Рамсея с двумя изотопами, достигнув времени спиновой когерентности до 60 секунд и коэффициента подавления магнитного шума более 3×104, а также точно определила отношение ядерных магнитных моментов 171Yb и 173Yb. Холодноатомный комагнитометр представляет собой совершенно новую платформу спинового зондирования, открывающую новый путь для квантово-усиленных прецизионных измерений и исследований новой физики за пределами Стандартной модели.

Рис. 2. Аспиранты Чжан Цзелинь и Ло Вэйтао работают на экспериментальной установке

Аспиранты Национального исследовательского центра физики микромасштабных веществ в Хэфэе Чжан Цзелинь и Ло Вэйтао являются соавторами статьи, профессор Лу Чжэнтянь из Школы физики и микромасштабных наук Университета науки и технологий Китая и исследователь Ся Тянь из Национальной лаборатории Хэфэя являются соавторами-корреспондентами. Работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая, Министерством науки и технологий, а также Китайской академией наук.