近零场矢量磁力计的原子自由感应衰减动力学解析建模

《Physical Review Applied》：Analytical modeling of atomic free-induction-decay dynamics for near-zero-field vector magnetometry

　　

近零磁场磁力计，特别是自旋交换弛豫自由（SERF）磁力计，尽管具有卓越的灵敏度，却面临一个根本性限制：其精度本质上依赖于预先标定的磁线圈的精确度，从而在校准过程中形成了循环依赖。为了打破这一循环，我们建立了一个全面的解析框架，用于描述近零磁场条件下原子系综全序列自由感应衰减（FID）轨迹。通过显式纳入依赖于极化率的减速因子 ???(??) 的动态演化过程，我们的模型为超弱磁场环境中的自旋进动提供了严格描述，使得无需依赖外部线圈参考即可提取绝对磁场分量。通过与布洛赫方程直接数值模拟的良好吻合，验证了模型的数学完整性。我们证明，通过多参数非线性估计过程，单个FID波形可以同时解析六个独立物理参数。实验结果验证了重建磁场的保真度高，决定系数约为0.99。在当前实验条件下，该方法实现了绝对磁场重建不确定度0.1 nT，泵浦和弛豫速率分别为5和 1??s?1 的实用重建精度。本工作重新定义了SERF磁力计为无标定磁力计，为在偏远或难以到达的环境中实现自主量子传感提供了坚实基础。