北理工課題組在基于室溫固態微波激射技術的量子傳感研究中取得重要進展
發布日期：2022-12-06 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院量子技術研究中心趙清、張博研究團隊與中國科學技術大學杜江峰院士、英國帝國理工學院Mark Oxborrow教授以及德國美因茨大學Dmitry Budker教授等團隊合作，在基于室溫固態微波激射技術的量子傳感研究中取得重要進展。相關成果以“Enhanced quantum sensing with room-temperature solid-state masers”為題，在《Science Advances》上發表（DOI: 10.1126/sciadv.ade1613）。研究人員在國際上首次將室溫固態微波激射技術應用于量子傳感領域，并實現了具有超高靈敏度的近零場磁力儀，展示了微波激射技術在提高固態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物理學院量子技術研究中心“特立”博士后吳昊和碩士研究生楊碩，通訊作者為張博。
基于固態自旋體系的量子傳感在材料科學、生物醫學、基礎物理學等多個領域都有廣泛的應用。固態自旋體系由于其能夠工作于室溫大氣環境和高靈敏度等優點，已經成為越來越受歡迎的超靈敏量子傳感平臺。量子傳感器的探測靈敏度可以通過增加非相互作用的自旋數量進一步提高，因此，固態系綜自旋量子傳感器發展迅速。但是，固態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微波激射技術同量子傳感相結合，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算，證實了對于具有非均勻展寬的系綜體系，微波激射的閾值效應以及信號放大作用可以使固態自旋系綜的電子順磁共振譜線變窄、信號幅度提升（圖1C和D），為提升基于譜線斜率探測手段的量子傳感技術靈敏度提供了條件。
圖1. 微波激射增強的量子傳感概念和模擬結果。
研究人員利用上述效應，搭建了基于室溫微波激射的并五苯固態自旋系綜磁力儀，通過微波激射頻率等參數優化（圖2），實現了
的測磁靈敏度，為開發高靈敏度近零場固態自旋系綜磁力儀開辟了嶄新的技術路徑，拓展出更多的應用場景，如暗物質探測等。
圖2. 并五苯自旋系綜磁力儀性能測試。
上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京理工大學青年學者研究基金項目、英國工程和物理科學研究委員會以及中國博士后科學基金的支持。
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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