科研进展 | 中科大彭新华课题组：原子共磁力计中的新型磁噪声自补偿效应

在过去数十年中，超越粒子物理标准模型的奇异自旋相互作用，已引起精密测量领域的广泛关注。这些奇异自旋相互作用涵盖了很多前沿领域，例如搜寻自旋-暗物质粒子相互作用、第五力、永久电偶极矩、自旋-引力耦合，以及对CPT和洛伦兹不变性的检验等。在这些精密实验中，奇异相互作用可以引起自旋的微小能级嬗移（level shift），从而等效为作用在自旋上的磁场，极弱磁场测量技术为检验这类微弱磁场信号提供了全新手段。

7月11日，合肥国家实验室、中国科学技术大学彭新华课题组在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“New Classes of Magnetic Noise Self-Compensation Effects in Atomic Comagnetometer”（原子共磁力计中的新型磁噪声自补偿效应）的研究论文，Yushu Qin、Zhenhan Shao为论文共同第一作者，彭新华教授、江敏副教授为论文共同通讯作者。

彭新华教授、江敏副教授团队在2021年首次利用基于氙原子（Xe-129）的自旋放大器开展了暗物质的直接搜寻实验并且首次突破宇宙天文学界限（SN1987A）[Nat. Phys. 17, 14021407 (2021)]，还完成了多个奇异相互作用实验[Sci. Adv.7,eabi9535 (2021); Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022); Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。然而，这些研究普遍面临一个巨大的实验挑战：信号极其微弱，常被噪声背景掩盖，尤其是容易受到磁噪声及其他与磁场相关的系统性效应的干扰。

为了克服这些挑战，原子共磁力计提供了一个重要的解决方案，它利用两种不同的自旋进动来减小磁场漂移和磁场涨落的影响。然而，现有的原子共磁力计仅对低频磁噪声（通常小于1 Hz）有效，这严重阻碍了在广阔的未探索参数空间中通过实验搜寻奇异自旋相互作用。

本文报道了一种基于碱金属自旋与稀有气体自旋相消干涉产生的磁噪声自补偿机制的新型原子共磁力计。该原子共磁力计采用钾-氦3（K-3He），在高达160Hz的更高频率下，系统显著抑制了超过2个数量级的磁噪声。此外，研究人员发现，该原子共磁力计的磁噪声抑制能力在空间上依赖于噪声的方向，并且可以很方便地通过调节外加偏置磁场来控制。此发现为精确测量开辟了新的可能性，包括提高自旋暗物质粒子相互作用在未探索参数空间中的搜索灵敏度。

理论方法

本研究提出的新型原子共磁力计基于法诺共振干涉相消的磁噪声抑制方法，并在气态氦和钾原子混合体系中进行了实验验证，其中被激光极化的钾原子作为气态氦原子核自旋的极化和读出手段。具体而言，通过自旋交换耦合，碱金属和稀有气体的自旋相互影响，形成一种彼此依赖的自旋行为。因此，稀有气体对磁噪声的响应，通过视作有效磁场的自旋交换耦合传递到碱金属自旋，并与碱金属自旋对磁噪声的响应发生干涉。在适当的实验条件下，这种干涉可以是相消干涉，从而实现磁噪声的显著自补偿。而在以往的实验中，偏置磁场通常需要设定为与氦原子产生的等效场等大反向，以使氦原子核自旋绝热地随外界低频磁噪声变化从而达到抑制效果。

理论模型采用了线性近似，通过矩阵表示法描述了碱金属自旋和稀有气体自旋的横向磁化强度的演化。模型中考虑了自旋交换耦合、偏置磁场以及环境噪声场对自旋行为的影响。通过精心选择实验参数，如偏置磁场的强度和方向，可以实现对磁噪声的有效自补偿。

研究人员发展出这套用于解释这些磁噪声自补偿效应的综合理论不仅能够抑制常规磁噪声，同时还能保持对赝磁场的敏感性，这为探索各种异常自旋依赖相互作用提供了潜在的应用前景。

实验方法

实验部分，研究者们采用了钾-氦3（K-3He）系统来验证理论模型。实验装置包括一个球形的GE180玻璃电池，其中封装了钾的滴液、2.5阿马伽的3He气体和200托尔的氮气。先将3He的核自旋沿z轴极化，并与光泵发射的钾原子发生自旋交换碰撞，进而产生有效磁场。这些有效磁场会对3He和K原子的自旋行为产生了影响。

实验中，研究者们通过调整偏置磁场Bz和自旋交换耦合的强度，实现了对磁噪声的自补偿。具体操作中，通过改变蒸气池的温度来调整3He的极化程度，进而改变有效磁场的强度。实验者们应用了一个横向磁场作为测试场，扫描其频率，并记录了相应的响应。

在实验中，研究者们观察到在特定的偏置磁场下，共磁力计的响应在特定的频率附近被显著抑制，这个频率被称为自补偿频率。通过调整偏置磁场，可以控制自补偿频率，从而实现对不同频率噪声的抑制。

此外，实验还展示了噪声抑制能力对磁噪声方向的依赖性，并且通过调整偏置磁场，可以方便地控制这种能力。研究者们通过测量在自补偿频率下的响应，并扫描测试场的角度，优化得到了最大的抑制因子。

为了进一步扩展噪声抑制的频率范围，研究者们提出了使用正交检测技术。通过同时使用两个沿x和y方向的激光作为探针，可以同时测量M_x^a和M_y^a，然后组合这些测量结果以形成复数响应。这种方法使得响应不受磁噪声的方位角影响，从而在更宽的频率范围内实现空间独立的噪声自补偿。

通过这些实验方法，研究者们不仅验证了理论模型的预测，还展示了新型原子共磁力计在抑制高频磁噪声方面的潜力，为精密测量和探索新物理现象提供了新的实验工具。这项技术未来将用于基础物理研究中的暗物质探测、奇异自旋相互作用的探测等领域，具有重要的科学意义和应用前景。

图1：磁噪声自补偿实验示意图。

图2：自补偿效应的证明。

图3：自补偿效应的空间依赖性。

图4：白磁噪声自补偿。

主要研究人员

彭新华，中国科学技术大学近代物理系执行主任、教授、博士生导师，中国科学院微观磁共振重点实验室教授、室务委员会成员，合肥微尺度物质科学国家研究中心Bio-X交叉科学研究部正高级研究员，类脑智能技术及应用国家工程实验室正高级研究员。研究方向包括基于磁共振的量子计算、量子模拟和量子调控、量子物理基本问题的理论和实验研究、核磁共振波谱学的技术发展和应用、基于原子磁力计的低场核磁共振。

江敏，2013年获得中国科学技术大学光信息科学与技术学士学位；2019年获得中国科学技术大学粒子物理与原子核物理博士学位，师从彭新华教授；现为中国科学技术大学副教授。2019年入选首批中科院特别研究助理资助人才项目。长期从事自旋量子调控和自旋交叉科学研究，力求突破传统测量方法的测量极限。研究工作包括自旋量子调控、超灵敏原子磁力计、零磁场核磁共振、检验超越标准物理模型、新型自旋微波激射器等。

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