北理工課題組在基于室溫固態(tài)微波激射技術(shù)的量子傳感研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-12-06 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心趙清、張博研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士,、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Mark Oxborrow教授以及德國(guó)美因茨大學(xué)Dmitry Budker教授等團(tuán)隊(duì)合作,，在基于室溫固態(tài)微波激射技術(shù)的量子傳感研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Enhanced quantum sensing with room-temperature solid-state masers”為題,，在《Science Advances》上發(fā)表（DOI: 10.1126/sciadv.ade1613）,。研究人員在國(guó)際上首次將室溫固態(tài)微波激射技術(shù)應(yīng)用于量子傳感領(lǐng)域，并實(shí)現(xiàn)了具有超高靈敏度的近零場(chǎng)磁力儀,，展示了微波激射技術(shù)在提高固態(tài)系綜自旋量子傳感器靈敏度的巨大潛力,。該工作第一作者為北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心“特立”博士后吳昊和碩士研究生楊碩，通訊作者為張博,。
基于固態(tài)自旋體系的量子傳感在材料科學(xué),、生物醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,。固態(tài)自旋體系由于其能夠工作于室溫大氣環(huán)境和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn),，已經(jīng)成為越來越受歡迎的超靈敏量子傳感平臺(tái)。量子傳感器的探測(cè)靈敏度可以通過增加非相互作用的自旋數(shù)量進(jìn)一步提高,，因此,，固態(tài)系綜自旋量子傳感器發(fā)展迅速。但是,，固態(tài)系綜自旋量子傳感器在追求理論極限靈敏度的道路上仍然受制于非均勻展寬和低讀出效率,。
為了消除上述限制因素的影響，研究人員提出將室溫固態(tài)微波激射技術(shù)同量子傳感相結(jié)合,，從而提高靈敏度,，原理如圖1A和B所示。研究人員首先通過理論計(jì)算,，證實(shí)了對(duì)于具有非均勻展寬的系綜體系,，微波激射的閾值效應(yīng)以及信號(hào)放大作用可以使固態(tài)自旋系綜的電子順磁共振譜線變窄、信號(hào)幅度提升（圖1C和D），為提升基于譜線斜率探測(cè)手段的量子傳感技術(shù)靈敏度提供了條件,。
圖1. 微波激射增強(qiáng)的量子傳感概念和模擬結(jié)果,。
研究人員利用上述效應(yīng)，搭建了基于室溫微波激射的并五苯固態(tài)自旋系綜磁力儀,，通過微波激射頻率等參數(shù)優(yōu)化（圖2）,，實(shí)現(xiàn)了
的測(cè)磁靈敏度，為開發(fā)高靈敏度近零場(chǎng)固態(tài)自旋系綜磁力儀開辟了嶄新的技術(shù)路徑,，拓展出更多的應(yīng)用場(chǎng)景,，如暗物質(zhì)探測(cè)等。
圖2. 并五苯自旋系綜磁力儀性能測(cè)試,。
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京理工大學(xué)青年學(xué)者研究基金項(xiàng)目,、英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)以及中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持,。
文章信息：H. Wu?, S. Yang?, M. Oxborrow, M. Jiang, Q. Zhao, D. Budker, B. Zhang*, J. Du, Enhanced quantum sensing with room-temperature solid-state masers. Sci. Adv. 8, eade1613 (2022).（?為共同一作，*為通訊作者）
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade1613
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