研究团队首次利用暗自旋实现了极弱磁场的量子放大，磁场放大倍数超过5000倍，单磁场测量精度达到0.1fT级。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

量子放大是实现弱电磁场精确测量的有效手段，但由于气体自旋初始化、相干时间和读出灵敏度等限制，自旋量子放大的性能受到限制。克服这些限制对于释放量子放大的全部潜力非常重要。

为了解决上述问题，研究人员提出了暗态自旋量子放大的概念，并在气态氙原子和铷原子的混合体系中进行了实验。在该系统中，以气态氙原子为放大介质，以激光偏振的铷原子作为氙核自旋的偏振和读出手段。

与以前的混合气态原子在同一空间中的实验不同，极化、放大和读出的过程通常同时进行。本文的研究者通过操纵铷原子偏振激光和氙原子偏置磁场等实验条件，发现了一种分离偏振、放大和读出过程的新方法，使氙核在量子放大过程中处于暗态自旋，不受偏振铷原子的干扰，发挥出更多的量子放大潜力。

研究人员发现，在这个系统中，处于暗态的氙核的自旋相干时间长达6分钟，比以前高出一个数量级。在弱磁信号上观察到的较长暗自旋的增益被放大了约5,400倍。作为一种应用，暗自旋放大和原子磁力计的结合实现了最小可检测磁场达到亚飞秒水平（1fT = 10-15T）在一次测量中（约500秒）。

这项工作揭示了生物医学领域，如心脑磁诊断、化学分子的极弱磁场测量和暗物质检测。

研究团队由中国科学院中国科学技术大学彭新华教授和江敏副教授领导。

更多信息：Min 江 等人，使用暗自旋观察磁放大，美国国家科学院院刊（2024 年）。DOI： 10.1073/pnas.2315696121

期刊信息：Proceedings of the National Academy of Sciences