中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點實驗室在量子精密測量研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該實驗室教授彭新華研究組及合作者，首次在弗羅凱量子體系上實現(xiàn)微波激射器，為超高精度超低頻磁場測量及暗物質(zhì)搜尋等研究提供了全新的途徑。近日，相關(guān)研究成果以Floquet maser為題，在線發(fā)表在Science Advances上。同期Science“展望”欄目和學(xué)術(shù)網(wǎng)站Phys.org分別以A masing ladder、Extending maser techniques to Floquet systems為題，專文報道該工作。

微波激射器（maser）是利用電磁波與原子或分子等量子系統(tǒng)的共振相互作用，在微波波段獲得放大或振蕩的量子器件。自1954年，第一臺微波激射器被實現(xiàn)后，催生出若干革命性技術(shù)，如激光器、原子鐘和量子放大器。然而，盡管微波激射器的研究歷史已有60多年，但迄今只有少數(shù)的物質(zhì)可實現(xiàn)微波激射器，僅在靜態(tài)體系上實現(xiàn)過。對于含時周期變化的體系（即弗羅凱體系，F(xiàn)loquet system），此前未有任何的理論和實驗報道。

該研究首次從理論上提出這種新型微波激射器的可行性，并在核自旋體系上實驗實現(xiàn)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)需要克服諸多挑戰(zhàn)：（1）通常情況下，原子核自旋的布居度只有百萬分之一，遠(yuǎn)達(dá)不到微波激射器的閾值條件。為此，研究人員采用同位素惰性氣體氙氣（129Xe）作為微波激射器介質(zhì)，利用自旋交換碰撞方法，將129Xe核自旋的布居度提高5個數(shù)量級。（2）以往微波激射器需要實現(xiàn)布居度的反轉(zhuǎn)，已致許多體系無法用于建造微波激射器。研究人員設(shè)計了一套精巧的外腔反饋控制系統(tǒng)（左圖），消除了傳統(tǒng)微波激射器對反轉(zhuǎn)布居度的苛刻要求，擴大了微波激射器的適用范圍。在解決上述兩個挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用射頻磁場周期調(diào)制氙自旋體系的能級分裂，從而形成弗羅凱量子態(tài)（Floquet state）（中圖）。經(jīng)過兩年多的努力，研究團隊首次觀測到弗羅凱量子態(tài)之間的受激輻射，標(biāo)志著在周期變化的量子體系上實現(xiàn)了微波激射器。這種新型微波激射器不同于以往，它呈現(xiàn)多個相位鎖定的多頻振蕩，它們的頻率值等于弗羅凱能級間距，該現(xiàn)象類似于“頻率梳”結(jié)構(gòu)（右圖）。研究中，科研人員還利用該微波激射器攻克了低頻磁場噪聲難題，實現(xiàn)了迄今為止超低頻段（1-100 mHz）最高的磁場測量靈敏度。

研究人員將這種全新的量子器件命名為“弗羅凱微波激射器”（Floquet maser）。該研究建立起一座連接弗羅凱物理（Floquet physics）和微波激射器的橋梁，有望在廣泛的量子體系上實現(xiàn)微波激射器，為精密測量研究提供全新的技術(shù)手段。Science以專文報道了這一研究工作，“展示了全新的微波激射器”，“能夠有效克服以往精密測量的低頻噪聲難題”，“為實現(xiàn)伽馬激光提供了新可能性”，“該工作有望應(yīng)用于高精度時鐘以及探測超輕暗物質(zhì)”。微觀磁共振重點實驗室博士后江敏為論文第一作者，彭新華為論文通訊作者。研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委員會和安徽省的資助。

左圖：弗羅凱微波激射器裝置；中圖：弗羅凱量子態(tài)和能級；右圖：弗羅凱微波激射器的頻譜