近日，我室彭新华教授研究团队与德国多特蒙德大学Dieter Suter教授合作，在量子精密测量领域取得重要进展，首次发现原子系综量子传感器的干涉效应，这一成果有望推进超高精度磁场测量研究。该研究成果以“Interference in Atomic Magnetometry”为题，于2020年10月4日在线发表在国际学术期刊《Advanced Quantum Technologies》上[Advanced Quantum Technologies, 2000078 (2020)]。

图1：左图为该工作设计的超低场核磁共振谱仪；右图为原子磁力计艺术化原理示意图

(艺术图由科技传播与科技政策系的黄雯、陈磊、柏江竹和徐凌设计制作）

原子磁力计（atomic magnetometer）是目前世界上最灵敏的磁场传感器，在脑磁诊断、材料科学、生物医学、以及检验基础物理等方面具有广泛的应用。彭新华教授团队长期专注于高灵敏度原子磁力计及其交叉学科应用，例如在超低场核磁共振和量子控制等领域已经取得国际领先成果[Science Advances 4, eaar6327 (2018); Phys. Rev. Appl. 11, 024005 (2019) ]。近期，该研究团队发现超高灵敏度原子磁力计中存在一种从未被发现的磁场干涉效应，进一步研究表明，该干涉效应广泛地存在于不同类型的原子磁力计，被同行专家评论为“这是一个有趣的现象，很惊奇直到现在才被发现”。该现象的发现也颇为意外，彭新华教授团队在利用自主搭建的原子磁力计探测超低场核磁共振（Ultralow-field NMR，如图1）时，意外观测到一种令人费解的现象：核磁共振的谱线强度总是呈现非对称性（如图2），这与以往的理论预测完全不同。早在2011年，加州伯克利大学Dmitry Budker团队也观测到类似“非对称”现象以及近期国际上相关工作也报道过类似现象，但其深层机理一直未被揭示。

图2：上图为化学分子的非对称核磁共振谱线；下图为量子传感器的干涉效应模型

针对以上悬而未决的问题，我室研究团队与德国多特蒙德大学Dieter Suter教授合作，通过理论分析，提出原子磁力计的干涉效应机制，化学分子同一跃迁频率产生的磁场空间分量在原子磁力计中产生干涉相消或者相长（如图2），干涉强度由分子自旋的量子态决定。提出的干涉机制成功破解了国际上多年悬而未决的“非对称性”问题。该工作还进一步提出一套检验量子传感器的干涉效应标准方法，可以纠正干涉效应产生的误差，适用于不同的量子传感器，例如金刚石色心磁力计，冷原子磁力计等。该工作可以应用于基于原子磁力计的脑磁和心磁测量等领域，将有望提高医学诊断精度。

我室博士后江敏为该工作第一作者，彭新华教授为通讯作者。此项研究得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/qute.202000078