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意想不到的新结合!中德研究团队实现新型微波激射器,达到最先进的磁场灵敏度

2021-03-01 17:48 前瞻网   

 

 

意想不到的新结合!中德研究团队实现新型微波激射器,达到最先进的磁场灵敏度

微波激射器(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation,以下简称为maser)已经变得无处不在:从激光器,原子钟,超灵敏磁共振波谱、低噪声放大器到深空通信。由于激射器产生的无线电波的频率非常稳定,因此这些设备能够非常灵敏地测量由于与外部电磁场的相互作用而引起的频率偏移。这为开发应用物理学和基础物理学中的精密计量学提供了令人兴奋的可能性。与此同时,弗洛凯系统(Floquet system)的最新发展催生了令人着迷的前景,如时间晶体和Floquet拓扑绝缘体。

近日,中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室的研究人员,连同德国的科研人员共同发现,maser技术和Floquet系统的结合可以克服退相干效应,由此得以重新审视许多现象。

中德研究团队进行了基于Floquet的maser的首次理论和实验论证,该maser由周期性驱动的蒸气室中的129氙气自旋组成。不像利用固有转变,研究发明的maser是基于由系统的弗洛凯状态支持的合成尺寸,以Floquet状态之间的跃迁频率振荡。团队将观测到的maser命名为“Floquet maser”。

意想不到的新结合!中德研究团队实现新型微波激射器,达到最先进的磁场灵敏度

(实验设置和阻尼反馈机制示意图,图片摘自论文Fig.1)

该研究将maser技术扩展到Floquet系统,并开辟了途径来探究不受退相干影响的Floquet现象,从而实现了以前尚未开发的maser传感器类别。作为首个Floquet与maser相结合的实际应用尝试,团队发明的maser提供了具有用于测量超低频率(1至100MHz)与subpicotesla级灵敏度的磁场测量功能,该性能明显优于国家的最先进的磁力计,并且可以应用于如超轻暗物质搜索等前沿科研任务。此外,研究团队还进一步证明了现有的maser技术可以实现在对轴子暗物质耦合到玛星旋转的搜索上,突破现有的最严格的约束条件的灵敏度。

这种基于时间周期Floquet系统的新型maser与传统的激maser不同,以Floquet状态之间的跃迁频率振荡。概念主干归纳为周期性驱动的系统,为探索不受退相干效应影响的浮球物理学开辟了一条新途径。正将maser技术与Floquet物理学联系起来,可以观察到具有亚毫赫兹宽度和高阶边带效应的Floquet系统的超高分辨率光谱。这可以大大提高测量系统能量,磁场,原子标量和张量极化率,超轻型玻色子外来场,非线性多光子相干的精度。并且,这一技术是通用的,可以容易地应用到成熟的微波激射器,如氢微波激射器,金刚石微波激射,和一个原子里德伯微波激射器,所有有希望作为一类新微波激射器的量子传感器。

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责任编辑: 3976DBC

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