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中国科大实现新型微波激射器 微波激射器（maser）是利用电磁波与原子或分子等量子系统的共振相互作用，在微波波段获得放大或振荡的量子器件。自1954年，第一台微波激射器被实现后，催生出若干革命性技术，如激光器、原子钟和量子放大器。然而，尽管微波激射器的研究历史已有60多年，但迄今只有少数的物质可实现微波激射器，仅在静态体系上实现过。对于含时周期变化的体系（即弗罗凯体系，Floquet system），此前未有任何的理论和实验报道。  左图：弗罗凯微波激射器装置；中图：弗罗凯量子态和能级；右图：弗罗凯微波激射器的频谱 该研究首次从理论上提出这种新型微波激射器的可行性，并在核自旋体系上实验实现。为实现这一目标需要克服诸多挑战：（1）通常情况下，原子核自旋的布居度只有百万分之一，远达不到微波激射器的阈值条件。为此，研究人员采用同位素惰性气体氙气（129Xe）作为微波激射器介质，利用自旋交换碰撞方法，将129Xe核自旋的布居度提高5个数量级。（2）以往微波激射器需要实现布居度的反转，已致许多体系无法用于建造微波激射器。研究人员设计了一套精巧的外腔反馈控制系统（左图），消除了传统微波激射器对反转布居度的苛刻要求，扩大了微波激射器的适用范围。在解决上述两个挑战的基础上，进一步利用射频磁场周期调制氙自旋体系的能级分裂，从而形成弗罗凯量子态（Floquet state）（中图）。经过两年多的努力，研究团队首次观测到弗罗凯量子态之间的受激辐射，标志着在周期变化的量子体系上实现了微波激射器。这种新型微波激射器不同于以往，它呈现多个相位锁定的多频振荡，它们的频率值等于弗罗凯能级间距，该现象类似于“频率梳”结构（右图）。研究中，科研人员还利用该微波激射器攻克了低频磁场噪声难题，实现了迄今为止超低频段（1-100 mHz）最高的磁场测量灵敏度。 研究人员将这种全新的量子器件命名为“弗罗凯微波激射器”（Floquet maser）。该研究建立起一座连接弗罗凯物理（Floquet physics）和微波激射器的桥梁，有望在广泛的量子体系上实现微波激射器，为精密测量研究提供全新的技术手段。Science以专文报道了这一研究工作，“展示了全新的微波激射器”，“能够有效克服以往精密测量的低频噪声难题”，“为实现伽马激光提供了新可能性”，“该工作有望应用于高精度时钟以及探测超轻暗物质”。微观磁共振重点实验室博士后江敏为论文第一作者，彭新华为论文通讯作者。研究工作得到科技部、国家自然科学基金委员会和安徽省的资助。 论文链接： https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabe0719 分享到：
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天蓝色3230 2021-03-01 22:01关注科研动态。