中国科学技术大学自旋共振实验室彭新华教授、江敏教授等在自旋量子精密测量方面取得重要进展，将量子精密测量与核磁共振、最优滤波技术等相结合，针对多种超越标准模型的自旋相互作用开展了系统性搜寻实验，在观测窗口内将国际上的探测界限提升了至少17个数量级。这一重要研究成果于6月2日以“Limits on Anomalous Spin-Spin Interactions Using Noble-Gas Nuclear Magnetic Resonance”为题发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》上。
量子精密测量利用量子力学基本原理，展现出突破经典测量极限的巨大潜力，为电磁场、时间、转动等物理量的超高精度测量提供了革命性途径。近年来，基于自旋体系的极弱磁场探测技术取得重大突破，其灵敏度已突破1fT（即10-15T）量级，开启了极弱磁场探测的量子时代。在本工作中，研究组利用惰性气体核自旋体系作为磁场量子探测器，提出并且实现了超灵敏极弱磁场探测[图1(a)]，主要得益于两个关键技术的发展。首先，利用惰性气体核自旋共振增强待测磁场信号，其共振放大机制源于当待测交流磁场频率与核自旋拉莫进动频率匹配时，将引发核自旋的集体相干响应，实验实现了高达145倍的磁场信号放大。其次，结合极弱磁信号的最优滤波技术，通过构建与待测磁场波形匹配的线性滤波器，实现了信号的最优提取，将系统信噪比提升至理论极限水平，有效抑制了环境噪声。
进一步，该工作将以上自旋量子测量技术用于超越标准模型自旋相互作用的实验搜索中。这种奇异自旋相互作用表现为两个129Xe自旋系综之间的长程相互作用——其中一个系综是自旋量子测量传感器，另一个作为可控自旋源，而超越标准模型的玻色子作为传播子。通过精确调控自旋源中129 Xe的极化状态，实现了对奇异自旋相互作用强度的主动调制。利用129Xe核磁共振精密测量技术，将奇异自旋相互作用的强度限制在10-8Hz量级以下，对应的能量分辨率高达10⁻⟡³eV。这一结果在6.0–157.4μeV质量范围内对新玻色子[图1(b)]给出了迄今为止最严格的实验约束。相较于此前同质量区间的实验结果，约束界限提升了17个数量级。该工作发展的自旋量子精密测量技术为未来探索各类超越标准模型的自旋相互作用开辟了新的研究途径，在新物理搜寻和精密测量领域具有重要的科学意义。
图1： (a)自旋量子测量传感器与自旋源；(b)新玻色子的实验界限。
中国科学技术大学自旋共振实验室博士后苏昊文、硕士研究生胡世举为该文的共同第一作者，江敏教授、彭新华教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、中国博士后基金会等资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.223201
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