动态极化原子共磁力仪：通过脉冲泵浦光抑制技术噪声与超越量子极限的新路径

《Cell Reports Physical Science》：Dynamically polarized atomic comagnetometer

本研究针对传统DC模式自旋交换弛豫自由(SERF)原子共磁力仪中泵浦光波动引起的偏振噪声和标准量子极限制约灵敏度的问题，开发了基于脉冲泵浦光的K-Rb-21Ne动态极化SERF共磁力仪。通过建立三阶段演化模型解析混合自旋系综动力学，提出动态极化下的磁场补偿方法，实验证明通过占空比调制可实现低频磁场响应52%的抑制和泵浦光波动39%的抑制。该方案为突破量子噪声极限、提升原子传感器在基础物理探索和生物磁测量等领域的应用性能提供了新思路。

　　

在量子精密测量领域，原子自旋传感器如同探索未知世界的"磁力探针"，在超越标准模型的新物理探索、生物磁场成像和量子导航等前沿应用中扮演着关键角色。传统DC模式的自旋交换弛豫自由(SERF)原子共磁力仪虽然已经实现了超高灵敏度，但其性能提升却面临着两大技术瓶颈：一是泵浦光的不稳定性会引入偏振噪声，二是光子散粒噪声和自旋投影噪声共同构成了磁力仪的标准量子极限。这些限制如同无形的天花板，制约着原子传感器在探测微弱信号方面的进一步发展。

为了突破这些限制，北京航空航天大学的研究团队在《Cell Reports Physical Science》上报道了一种创新的动态极化原子共磁力仪。他们巧妙地利用脉冲泵浦光技术，开发出K-Rb-²¹Ne动态极化SERF共磁力仪，让电子自旋和核自旋在时间维度上"跳舞"，从而屏蔽了泵浦光对信号的直接干扰。

研究团队建立了三阶段演化模型来完整描述混合自旋系综的动力学行为。在相位I中，核自旋逐渐极化到动态平衡状态；相位II对应泵浦光开启时电子自旋达到稳态；相位III则是泵浦光关闭后电子自旋的阻尼振荡阶段。这一模型就像为原子自旋的"舞蹈"编写了详细的编舞手册，使得研究人员能够获得整个动态极化过程的完整解析解。

实验系统采用直径14毫米的球形气室，内含钾、天然丰度的铷、3.24amg的²¹Ne气体(70%同位素富集)和58torr的N₂作为淬灭气体。气室加热至453K，采用多层磁屏蔽结构将残余磁场降至2nT以下。770.108nm的圆偏振泵浦光沿z轴极化钾电子自旋，795.501nm的线偏振探测光沿x轴测量电子自旋偏振的x分量。通过声光调制器实现11Hz的泵浦光调制，在不同占空比(40%-60%)下进行实验测量。

关键技术方法包括：基于脉冲泵浦光的动态极化技术、混合自旋系综的三阶段演化建模、稳态响应磁场补偿方法、阻尼振荡信号拟合分析、以及通过地球旋转进行惯性旋转响应标定。研究人员采用差分测量策略消除偏差波动，通过调制泵浦光强度评估泵浦光波动响应，并系统分析了低频磁场抑制效果。

磁补偿方法

研究团队开发了一种基于动态极化的磁场补偿方法，通过沿传感器y轴或z轴调制方波，比较高低电平下的稳态响应，获得对B_y和δB_z的一阶导数。通过迭代调节x和y方向磁场，确保在两个偏置点处高低电平的稳态差均为零，从而实现有效的三轴磁补偿。

电子阻尼振荡

在相位III中，电子自旋进动频率取决于外磁场、核自旋有效磁场和减速因子。通过改变B_z near补偿点，研究人员获得了频率与磁场的关系，确定了相位III的混合减速因子Q^(III)约为10.27，对应约18%的纵向电子极化率。核自旋有效极化与占空比呈基本线性关系，验证了理论分析。

惯性旋转响应

利用地球旋转校准惯性旋转响应，当旋转平台绕传感器z轴完整旋转时，拟合参数A_sin反映地球旋转沿传感器x轴投影(Ω_x)的变化模式，而A_cos和相位II的稳态P_x^e(II)反映沿y轴投影(Ω_y)的变化。随着占空比增加，相位III中惯性旋转的尺度因子减小，而相位II的尺度因子与占空比相关性较小。

低频磁场抑制

实验证明动态极化方案对横向DC磁场和低频磁干扰具有显著抑制能力。随着占空比从40%增加到60%，A_sin和A_cos对低频磁场的响应平均抑制了52%。自补偿模式在抑制低频磁场方面表现出比混合自旋共振模式更优的效果。

泵浦光波动抑制

通过调制泵浦光强度评估泵浦光波动响应，发现相位III中A_cos的响应系数较小，表明在泵浦关闭阶段(相位III)对泵浦光波动具有抑制效果。实验数据显示平均抑制效果达到39%。

灵敏度分析

动态极化方案通过拟合方法使噪声基底比直接使用相位III最后点降低约36%，且在极低频段(<0.1Hz)灵敏度优于DC模式。但由于尺度因子较小，背景噪声影响更为明显。阻尼振荡机制对磁场稳定性要求较高，引入了额外的噪声峰值，这些噪声源于电池附近的磁场波动，可能由电加热引起。

该研究开发的K-Rb-²¹Ne动态极化SERF共磁力仪，通过脉冲泵浦光技术有效抑制了技术噪声，展现出超越量子噪声极限的潜力。三阶段演化模型为分析动态极化过程提供了完整理论框架，磁场补偿方法确保了自补偿能力在不同工作阶段的稳定性。实验证明通过占空比调制可实现低频磁场响应52%的抑制和泵浦光波动39%的抑制，为原子传感器在精密测量领域的性能提升开辟了新途径。

尽管阻尼振荡机制对磁场稳定性提出了更高要求，但通过激光加热替代电加热、多反射腔集成、自差分测量以及压缩或纠缠态等技术进一步优化，动态极化方案有望在惯性导航、新物理探索等领域发挥重要作用。这项研究不仅推动了原子磁力仪技术的发展，也为量子传感领域的创新提供了重要思路。