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　　【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】 中國科學技術(shù)大學中科院微觀磁共振重點實驗室在量子精密測量研究領(lǐng)域取得重要進展，該實驗室教授彭新華研究組及合作者,，在弗羅凱量子體系上實現(xiàn)微波激射器,，為超高精度超低頻磁場測量及暗物質(zhì)搜尋等研究提供了全新的途徑。近日,，相關(guān)研究成果以Floquet maser為題,，在線發(fā)表在Science Advances上。同期Science“展望”欄目和學術(shù)網(wǎng)站Phys.org分別以A masing ladder,、Extending maser techniques to Floquet systems為題,，專文報道該工作。
 

　　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1954年,，第一臺微波激射器被實現(xiàn)后，催生出若干革命性技術(shù),，如激光器,、原子鐘和量子放大器。然而,，盡管微波激射器的研究歷史已有60多年,，但迄今只有少數(shù)的物質(zhì)可實現(xiàn)微波激射器，僅在靜態(tài)體系上實現(xiàn)過,。對于含時周期變化的體系(即弗羅凱體系,，F(xiàn)loquet system)，此前未有任何的理論和實驗報道,。
 

　　該研究從理論上提出這種新型微波激射器的可行性,，并在核自旋體系上實驗實現(xiàn)。為實現(xiàn)這一目標需要克服諸多挑戰(zhàn)：(1)通常情況下,，原子核自旋的布居度只有百萬分之一,，遠達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，將129Xe核自旋的布居度提高5個數(shù)量級,。(2)以往微波激射器需要實現(xiàn)布居度的反轉(zhuǎn),，已致許多體系無法用于建造微波激射器。研究人員設(shè)計了一套精巧的外腔反饋控制系統(tǒng)(左圖),，消除了傳統(tǒng)微波激射器對反轉(zhuǎn)布居度的苛刻要求,，擴大了微波激射器的適用范圍。在解決上述兩個挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上,，進一步利用射頻磁場周期調(diào)制氙自旋體系的能級分裂,，從而形成弗羅凱量子態(tài)(Floquet state)(中圖)。經(jīng)過兩年多的努力,，研究團隊觀測到弗羅凱量子態(tài)之間的受激輻射,，標志著在周期變化的量子體系上實現(xiàn)了微波激射器。這種新型微波激射器不同于以往,，它呈現(xiàn)多個相位鎖定的多頻振蕩,，它們的頻率值等于弗羅凱能級間距，該現(xiàn)象類似于“頻率梳”結(jié)構(gòu)(右圖),。研究中,，科研人員還利用該微波激射器攻克了低頻磁場噪聲難題，實現(xiàn)了迄今為止超低頻段(1-100 mHz)高的磁場測量靈敏度,。
 

　　研究人員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現(xiàn)微波激射器，為精密測量研究提供全新的技術(shù)手段,。Science以專文報道了這一研究工作,，“展示了全新的微波激射器”，“能夠有效克服以往精密測量的低頻噪聲難題”,，“為實現(xiàn)伽馬激光提供了新可能性”，“該工作有望應(yīng)用于高精度時鐘以及探測超輕暗物質(zhì)”,。微觀磁共振重點實驗室博士后江敏為論文第一作者,，彭新華為論文通訊作者。研究工作得到科技部,、國家自然科學基金委員會和安徽省的資助,。