我國在量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在弗羅凱量子體系上實(shí)現(xiàn)微波激射器。

來自中國科大的消息顯示，中國科大中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授研究組及其合作者首次在弗羅凱量子體系上實(shí)現(xiàn)微波激射器，為超高精度超低頻磁場測量以及暗物質(zhì)搜尋等研究提供了全新的途徑。

據(jù)了解，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。自從1954年第一臺(tái)微波激射器被成功實(shí)現(xiàn)后，它已催生出若干革命性技術(shù)，例如激光器、原子鐘和量子放大器。由于這些微波激射器技術(shù)在實(shí)際生活和科學(xué)研究中發(fā)揮著不可替代的作用，為此諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)曾多次授予該領(lǐng)域。

然而，盡管微波激射器的研究歷史已有60多年，但迄今為止只有少數(shù)的物質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)微波激射器，目前僅在靜態(tài)體系上實(shí)現(xiàn)過。對于含時(shí)周期變化的體系（即所謂的弗羅凱體系，F(xiàn)loquet system），之前未有任何的理論和實(shí)驗(yàn)報(bào)道。

此次研究首次從理論上提出這種新型微波激射器的可行性，并成功在核自旋體系上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需克服諸多挑戰(zhàn)：

（1）通常情況下，原子核自旋的布居度只有百萬分之一，遠(yuǎn)達(dá)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，成功將129Xe核自旋的布居度提高5個(gè)數(shù)量級。

圖左：弗羅凱微波激射器裝置；圖中：弗羅凱量子態(tài)和能級；圖右：弗羅凱微波激射器的頻譜。

（2）以往微波激射器需要實(shí)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(jì)了一套精巧的外腔反饋控制系統(tǒng)（如圖左），消除了傳統(tǒng)微波激射器對反轉(zhuǎn)布居度的苛刻要求，擴(kuò)大了微波激射器的適用范圍。在解決以上兩個(gè)挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)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）（如圖中）。經(jīng)過兩年多的努力，研究團(tuán)隊(duì)首次觀測到了弗羅凱量子態(tài)之間的受激輻射，標(biāo)志著在周期變化的量子體系上實(shí)現(xiàn)了微波激射器。這種新型微波激射器完全不同于以往，它呈現(xiàn)多個(gè)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)（如圖右）。在本工作中，研究人員還利用該微波激射器攻克了低頻磁場噪聲難題，實(shí)現(xiàn)了迄今為止超低頻段（1-100 mHz）最高的磁場測量靈敏度。

這項(xiàng)研究成果以“Floquet maser”為題，于2021年2月18日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》［Science Advances 7， eabe0719 （2021）］。同期《Science》“展望”欄目和國際知名學(xué)術(shù)網(wǎng)站Phys.org分別以“A masing ladder”和“Extending maser techniques to Floquet systems”為題專文報(bào)道了該工作。

本文作者將這種全新的量子器件命名為弗羅凱微波激射器（Floquet maser）。該研究工作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(shí)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》雜志以專文報(bào)道該工作，盛贊其“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(shí)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(shí)鐘以及探測超輕暗物質(zhì)”。

中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的江敏博士后為論文第一作者，彭新華教授為通訊作者。此項(xiàng)研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和安徽省的資助。

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