基于自旋的量子传感器中的非单色光泵浦

《Measurement》：Non-monochromatic optical pumping in spin-based quantum sensors

　　•开发了一种非单色光泵浦方案，用于抑制高密度原子团中的极化梯度。•首次成功将非单色泵浦技术应用于混合碱金属体系中的稀有气体自旋交换光泵浦。•使得电子自旋弛豫时间减少了13.1%，核横向弛豫时间增加了6.5%。•在K-Rb-21Ne复合磁强计中，0.5-1 Hz频段的平均灵敏度提升了43(13%)。•为利用热原子团构建基于自旋的量子传感器提供了一种具有普适性的光泵浦方法。

引言
基于自旋的量子传感器因其极高的稳定性和灵敏度，被广泛应用于精确物理场测量和基础物理学研究。例如，原子钟为全球导航系统[1]、[2]以及高速电信[3]、[4]提供高度稳定的频率，同时也可作为研究精细结构常数是否随时间变化的工具[5]、[6]、[7]。原子磁强计则可用于生物磁性成像[8]、[9]、[10]以及资源勘探[11]、[12]、[13]、[14]等领域，实现高灵敏度的磁场检测。原子陀螺仪则为惯性导航和姿态控制系统提供超精确的旋转感知功能[15]、[16]。此外，原子复合磁强计还被用于探索标准模型之外的新物理现象，比如寻找轴子暗物质[17]、[18]、[19]、[20]，永久电偶极矩[21]、[22]，以及异常的自旋依赖相互作用[23]、[24]、[25]、[26]。

在这些基于自旋的量子传感器中，光泵浦是初始化量子自旋状态的关键技术[27]、[28]，通常采用与原子跃迁匹配的单色共振光来有效极化原子团中的自旋[29]。然而，原子介质的光学深度会导致显著的空间极化梯度[30]、[31]，尤其是在自旋轨道共振复合磁强计中，这会大幅增加原子自旋弛豫率，进而降低信号强度，限制传感器的灵敏度。采用非共振光泵浦可以减少光学吸收，从而提高自旋极化的空间均匀性[32]、[33]、[34]，但同时也会引入不必要的交流斯塔克位移，这种位移表现为等效的磁噪声，进一步限制灵敏度。虽然通过对称的红蓝频率调谐的边带泵浦可以消除这些位移[35]、[36]，但前提是边带的强度和频率必须完全对称。

为减轻极化梯度，人们提出了多种方法，大致可分为三类：脉冲光泵浦、扩散光泵浦和混合原子极化，每种方法都有其固有的局限性。脉冲光泵浦[37]、[38]、[39]通过分离泵浦和检测阶段有效消除了交流斯塔克位移，但由于检测期间没有泵浦光，自旋会逐渐衰减。类似地，扩散光泵浦[40]通过让光在介质中扩散来消除位移，但无法完全解决高密度原子团中的持续弛豫问题。混合原子极化[41]、[42]、[43]主要依靠自旋交换光泵浦，利用两种碱金属元素的密度比来显著降低不均匀性，但这需要精确调节两种元素的密度[31]、[44]，而且原子光学吸收仍会留下残余梯度。诸如反向泵浦[30]或平衡光辅助泵浦[45]等方法可以缓解这些残余梯度，但代价是会因光线不对齐而产生放大的极化噪声。此外，高度饱和的光泵浦[46]虽然能提高极化率，从而改善均匀性，但由于光学饱和效应，也会增加自旋弛豫率。

最近，宽线宽光泵浦作为一种有前景的方法出现，它在单碱金属自旋轨道共振磁强计中显著提升了电子自旋极化的均匀性，并大幅降低了光频噪声[47]、[48]。这种方法的优势在于无需引入显著的交流斯塔克位移，也不要求光参数具有精确的对称性，就能减少由吸收引起的梯度。不过，目前该方法仅应用于单碱金属体系，将其整合到混合碱金属体系或自旋交换极化的稀有气体体系中仍面临挑战。在这些体系中，提升传感器性能的关键在于进一步抑制极化不均匀性。

在本研究中，我们将宽线宽泵浦与混合碱金属极化技术相结合，首次成功将其应用于自旋交换极化的稀有气体中，同时展示了其在复合磁强计中提升灵敏度的潜力。我们为基于K-Rb-21Ne的混合原子复合磁强计设计了一种非单色光泵浦方案，通过基于厄米-奥本海姆模型的相位噪声调制，使共振的K泵浦光线宽度变宽。加宽后的光谱降低了泵浦光的衰减，使得K原子电子自旋极化更加均匀，随后通过自旋交换碰撞，这种极化状态会传递到Rb原子电子自旋和21Ne原子核自旋上。通过计算极化梯度引起的自旋弛豫率，我们发现Rb原子的电子自旋弛豫率下降了13.1%，进而使得21Ne原子核的横向弛豫时间提升了6.5%。此外，沿x轴和y轴的自补偿抑制因子分别提升了9.3%和16.2%。在0.5–1 Hz频段内，该传感器的平均灵敏度可达约9.56×10?8rad/s/Hz，相比传统的单色光泵浦方案，灵敏度提升了43(13%)。

章节节选
理论分析
图1(a)展示了非单色光泵浦方案的示意图。圆偏振单色光通过非线性相位调制，被高斯白噪声调制后产生一系列边带，形成一个连续的高斯包络，其表达式为g(ν)=2ln2/πΓmexp?4ln2(ν?ν0)2Γm2，其中Γm是由调制深度决定的非单色光的全宽半高值，ν0则是中心频率，其值取决于实验参数。

实验装置
图2(a)显示了基于非单色光泵浦方案的SERF复合磁强计的结构。核心感测元件是一个直径为10毫米的球形蒸汽池，其中含有提供电子自旋的K-Rb混合物液滴，约有1.04个大气压的21Ne气体提供核自旋，还有约50托的氮气用于淬灭作用。该蒸汽池被放置在由氮化硼制成的圆柱形炉子中，均匀加热至478开尔文，以此获得较高的原子密度和较高的原子自旋交换速率。此外，该装置还采用了五层μ金属结构。

尺度因子与电子极化均匀性的提升
SERF复合磁强计的灵敏度在很大程度上取决于其尺度因子，这一参数可以通过S曲线得出，其表达式为[37] ΔSx=KcPzeR2eγeδBz[R2e2+γe2(Lz+δBz)2]B0nΔBy，其中Kc是通过将电子自旋进动信号与系统输出电压进行拟合得到的校准系数，γe是电子的旋磁比，Lz表示由泵浦光的交流斯塔克位移产生的有效纵向磁场。B0n则表示等效的磁场强度。

结论
在本研究中，我们从理论上提出了非单色光泵浦技术，并通过实验验证了该技术能有效减轻SERF复合磁强计中的自旋极化不均匀性，从而显著提升传感器的整体性能。实验结果表明，y轴方向的自补偿抑制因子提升了16.2%，这有助于增强核自补偿的稳定性。因此，磁噪声可以得到有效控制。

作者贡献说明
尹庆云：撰写——初稿、可视化、数据整理、概念设计。李文兵：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、概念设计。王伟毅：撰写——初稿、可视化、数据整理、概念设计。魏凯：资金获取、概念设计。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

尹庆云|李文兵|王伟毅|魏凯