【48812】我国科大完结新式微波激射器

  我国科学技能大学我国科学院微观磁共振要点试验室在量子精细丈量范畴取得重要发展，该试验室彭新华教授研讨组及其合作者初次在弗罗凯量子系统上完结微波激射器，为超高精度超低频磁场丈量以及暗物质搜索等研讨供给了全新的途径。这项研讨成果以“Floquet maser”为题，于2021年2月18日在线宣布在世界学术期刊《Science Advances》[Science Advances 7, eabe0719 (2021)]。同期《Science》“展望”栏目和世界闻名学术网站别以“A masing ladder”和“Extending maser techniques to Floquet systems”为题专文报导了该作业。

  微波激射器（maser）是运用电磁波与原子或分子等量子系统的共振相互效果，在微波波段取得扩展或振动的量子器材。自从1954年榜首台微波激射器被成功完结后，它已催生出若干革命性技能，例如激光器、原子钟和量子扩展器。因为这些微波激射器技能在实际生活和科学研讨中发挥着无法代替的效果，为此诺贝尔物理学奖曾多次颁发该范畴。但是，虽然微波激射器的研讨前史已有60多年，但迄今为止只要少量的物质可以在必定程度上完结微波激射器，现在仅在静态系统上完结过。关于含时周期改变的系统（即所谓的弗罗凯系统，Floquet system），之前未有任何的理论和试验报导。

  图左：弗罗凯微波激射器设备；图中：弗罗凯量子态和能级；图右：弗罗凯微波激射器的频谱。

  本作业初次从理论上提出这种新式微波激射器的可行性，并成功在核自旋系统上试验完结。为完结这一方针需求战胜许多应战：（1）通常情况下，原子核自旋的布居度只要百万分之一，远达不到微波激射器的阈值条件。为此，研讨人员选用同位素惰性气体氙气（129Xe）作为微波激射器介质，运用自旋交流磕碰办法，成功将129Xe核自旋的布居度进步5个数量级。（2）以往微波激射器要完结布居度的回转，已致许多系统无法用于制作微波激射器。研讨人员规划了一套精巧的外腔反应操控办理系统（如图左），消除了传统微波激射器对回转布居度的严苛要求，扩展了微波激射器的合适运用的规模。在处理以上两个应战的基础上，进一步运用射频磁场周期调制氙自旋系统的能级割裂，然后构成弗罗凯量子态（Floquet state）（如图中）。通过两年多的尽力，研讨团队初次观测到了弗罗凯量子态之间的受激辐射，标志着在周期改变的量子系统上完结了微波激射器。这种新式微波激射器彻底不同于以往，它出现多个相位确定的多频振动，它们的频率值等于弗罗凯能级距离，该现象类似于“频率梳”结构（如图右）。在本作业中，研讨人员还运用该微波激射器霸占了低频磁场噪声难题，完结了迄今为止超低频段（1-100 mHz）最高的磁场丈量灵敏度。

  本文作者将这种全新的量子器材命名为弗罗凯微波激射器（Floquet maser）。该研讨作业建立起一座衔接弗罗凯物理（Floquet physics）和微波激射器的桥梁，有望在广泛的量子系统上完结微波激射器，为精细丈量研讨供给全新的技能手段。

  《Science》杂志以专文报导该作业，盛赞其“展现了全新的微波激射器”， “可以有用战胜以往精细丈量的低频噪声难题”，“为完结伽马激光供给了新可能性”，“该作业有望应用于高精度时钟以及勘探超轻暗物质”。

  我国科学院微观磁共振要点试验室的江敏博士后为论文榜首作者，彭新华教授为通讯作者。此项研讨得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的赞助。

  （中科院微观磁共振要点试验室、物理学院、合肥微标准物质科学国家研讨中心、中科院量子信息和量子科学技能创新研讨院、科研部）