构建鲁棒且可扩展的量子技术，其关键在于我们维持构成元素的脆弱量子态的能力。在构建量子传感器、原子钟和量子存储器的有前途的候选者中，碱金属原子的电子自旋扮演着重要角色。这些原子以其单个价电子为特征，拥有定义明确的内部能级和磁矩，可以通过光学和磁场轻松地对其进行操纵和读取。它们相对简单，加上成熟的激光冷却和俘获技术，使其成为基础量子物理实验和实际应用的理想系统。
然而，限制碱金属自旋系综性能和相干时间的一个主要障碍是退相干——由于与周围环境的相互作用导致其量子特性不可逆地丧失。最近发表在PRL的题为“在低磁场下抑制碱金属原子自旋退相干”的研究，在克服这一挑战方面取得了重大进展，揭示了一种通过审慎使用低磁场来延长自旋相干性的强大新方法。
碱金属蒸汽中的退相干源于多种因素，每个因素都会导致集体自旋态的破坏。其中突出的包括原子间的碰撞、与缓冲气体（常用于减缓扩散）的相互作用、波动的磁场以及用于探测或操纵原子态的光的相互作用。这些相互作用可能导致原子内部状态的随机变化，从而导致相干自旋叠加的衰减。
几十年来，科学家们设计了巧妙的技术来减轻这些影响。这项工作的基石之一是自旋交换弛豫自由 (SERF) 机制的发展。在非常低的磁场下的高密度碱金属蒸汽中，自旋交换碰撞（两个原子交换其电子自旋）的速率变得远快于自旋在磁场中的拉莫尔进动频率。这种快速平均有效地抵消了自旋交换碰撞对平均自旋取向的净效应，从而显著减少了来自这一特定来源的退相干。SERF 机制对于实现原子磁力计前所未有的灵敏度至关重要。
然而，SERF 机制虽然对自旋交换非常有效，但并未解决所有退相干源。其他碰撞过程，例如与缓冲气体分子碰撞期间的自旋旋转相互作用或自旋破坏碰撞，仍然可能导致快速的自旋弛豫。此外，用于光泵浦或探测的光的相互作用，也可能引起交流斯塔克频移和自发辐射，这两者都可能导致退相干，特别是在需要连续光学访问的应用中。抑制这些非自旋守恒或光诱导的弛豫途径仍然是一个关键挑战。
这正是新研究所做出的关键贡献，这篇论文报告了实验结果，表明施加低磁场可以显著抑制由非自旋交换过程引起的退相干。具体来说，研究人员表明，由与氮气分子碰撞期间的自旋旋转相互作用引起的退相干以及由近共振光吸收引起的退相干可以在低磁场下被抑制一个数量级。这是一个显著的结果，因为它将低磁场的保护作用扩展到广为人知的 SERF 机制之外。
论文的核心思想是，在较高磁场下，自旋快速进动。如果导致退相干的相互作用（如碰撞或光吸收事件）相对于进动周期发生得较快，它们可以有效地将自旋踢向不同的方向。当这些踢击随机发生时，整体相干性就会丧失。然而，在低磁场下，拉莫尔进动缓慢。研究表明，在这个低场区域，相互作用动力学本身或它们对自旋的影响可能会以一种对整体自旋相干性损害较小的方式被修改或平均掉。论文指出，较高磁场下的“异步拉莫尔进动”是导致增加退相干的机制，而在低磁场下可以自然地减轻这种机制。
这一发现特别强大，因为它提供了一个单一的、相对简单的控制参数——磁场强度——可以通过调节来抑制多种不同的退相干途径。虽然 SERF 依赖于自旋交换速率与拉莫尔频率的比率，但这项工作表明，仅仅通过降低磁场大小就可以对其他过程进行更直接的抑制。这为使用碱金属蒸汽的实验人员提供了新的控制水平。
这项研究对量子科学和技术具有深远的影响。延长碱金属自旋的相干时间直接意味着各种应用的性能提升。对于原子磁力计而言，更长的相干时间意味着灵敏度更高，从而能够以更高的精度检测更弱的磁场，这对于生物磁学到基础物理搜索等应用至关重要。在量子计算和存储领域，更长的相干时间对于执行复杂的量子操作和长时间存储量子信息至关重要。这项工作表明，除了其他相干保护技术之外，仅仅在仔细选择的低磁场环境下操作基于碱金属自旋的设备，就可以显著提高性能。
此外，这项研究加深了我们对原子自旋、其环境和外部场之间复杂相互作用的基本理解。通过在低场下识别和抑制特定的退相干机制，它为限制相干性的微观过程提供了宝贵的见解。这种改进的理解可以为未来实验的设计以及开发新的材料和技术以进一步增强自旋相干性提供信息。
