量子高精密精确测量领域新进展：中国科大初次在弗罗凯量子管理体系上完成微波激射器

2 月 25 日信息，在我国在量子高精密精确测量行业获得关键进度，初次在弗罗凯量子体系上完成微波激射器。

来源于中国科大的信息表明，中国科大中科院外部经济核磁共振重点实验室彭新华专家教授课题组以及合作方初次在弗罗凯量子体系上完成微波激射器，为极高精密度超低頻磁场测量及其暗能量寻找等科学研究出示了全新升级的方式。

据统计，微波激射器（maser）是利用无线电波与分子或分子结构等量子系统软件的共震相互影响，在微波加热股票波段得到变大或震荡的量子元器件。自打 1954 年第一台微波激射器被取得成功完成后，它已催生出多个颠覆性技术性，比如激光发生器、原子钟和量子放大仪。因为这种微波激射器技术性在具体日常生活和科研中充分发挥着不可替代的功效，因此诺贝尔物理学奖曾一度授于该行业。

殊不知，虽然微波激射器的科学研究历史时间现有 60 很多年，但目前为止仅有极少数的化学物质可以完成微波激射器，现阶段仅在静态数据体系上完成过。针对含时周期时间转变的体系（即说白了的弗罗凯体系，Floquet system），以前没有一切的基础理论和试验报导。

本次科学研究初次从理论上明确提出这类新式微波激射器的可行性分析，并取得成功在核自旋体系上试验完成。

为完成这一总体目标需摆脱众多挑戰：

（1）一般状况下，原子自旋的布居度仅有百万分之一，远达不上微波激射器的阈值条件。

因此，科学研究工作人员选用放射性核素稀有气体氙气（129Xe）做为微波激射器物质，利用自旋互换撞击方式，取得成功将 129Xe 核自旋的布居大幅度提高 5 个量级。

▲ 图左：弗罗凯微波激射器设备；图上：弗罗凯量子态和电子能级；图右：弗罗凯微波激射器的频带

（2）过去微波激射器必须完成布居度的翻转，导致很多体系没法用以修建微波激射器。

科学研究工作人员设计方案了一套精致的外腔意见反馈自动控制系统（如图左），清除了传统式微波激射器对翻转布居度的严苛规定，扩张了微波激射器的应用领域。

在处理之上2个挑戰的基本上，进一步利用频射电磁场周期时间调配氙自旋体系的电子能级瓦解，进而产生弗罗凯量子态（Floquet state）（如图所示中）。

历经2年多的勤奋，科学研究精英团队初次观察到弗罗凯量子态中间的收到刺激辐射源，意味着在周期时间转变的量子体系上完成了微波激射器。这类新式微波激射器彻底有别于过去，它展现好几个相位差锁住的双频震荡，他们的頻率值相当于弗罗凯电子能级间隔，该状况类似 “頻率梳”构造（如图右）。在本工作上，科学研究工作人员还利用该微波激射器攻破了低頻电磁场噪音难点，完成了目前为止极低频率段（1-100 mHz）最大的磁场测量敏感度。

此项科研成果以 “Floquet maser”问题，于 2021 年 2 月 18 日线上发布在国际性学术刊物《Science Advances》[Science Advances 7, eabe0719 (2021)]。当期《Science》“未来展望”频道和国际性著名学术网站 Phys.org 各自以 “A masing ladder”和 “Extending maser techniques to Floquet systems”问题专文报导了该工作中。

文中创作者将这类全新升级的量子元器件取名为弗罗凯微波激射器（Floquet maser）。该科学研究工作中创建起一座联接弗罗凯物理学（Floquet physics）和微波激射器的公路桥梁，有希望在普遍的量子体系上完成微波激射器，为高精密精确测量科学研究出示全新升级的方式方法。

《Science》杂志期刊以专文报导该工作中，赞誉其 “展现了全新升级的微波激射器”，“可以合理摆脱过去高精密精确测量的低頻噪音难点”，“为完成伽马激光器出示了新概率”，“该工作中有希望运用于高精密数字时钟及其检测粘士暗能量”。

中科院外部经济核磁共振重点实验室的江敏博士研究生为毕业论文第一作者，彭新华专家教授为通讯作者。该项科学研究获得了国家科技部、自然科学基金委和安徽的支助。