中國科大物理學院中國科學院微觀磁共振重點實驗室在量子精密量測領域取得重要進展，該實驗室彭新華教授研究組及其合作者首次在弗羅凱量子體系上實現微波激射器，為超高精度超低頻磁場量測以及暗物質搜尋等研究提供了全新的途徑。這項研究成果以“Floquet maser”為題，於2021年2月18日線上發表在國際學術期刊《Science Advances》[Science Advances 7，eabe0719（2021）]。同期《Science》“展望”欄目和國際知名學術網站Phys.org分別以“A masing ladder”和“Extending maser techniques to Floquet systems”為題專文報導了該工作。
微波激射器（maser）是利用電磁波與原子或分子等量子系統的共振相互作用，在微波波段獲得放大或振盪的量子器件。自從1954年第一臺微波激射器被成功實現後，它已催生出若干革命性科技，例如雷射器、原子鐘和量子放大器。由於這些微波激射器科技在實際生活和科學研究中發揮著不可替代的作用，為此諾貝爾物理學獎曾多次授予該領域。然而，儘管微波激射器的研究歷史已有60多年，但迄今為止只有少數的物質能够實現微波激射器，現時僅在靜態體系上實現過。對於含時週期變化的體系（即所謂的弗羅凱體系，Floquet system），之前未有任何的理論和實驗報導。
圖左：弗羅凱微波激射器裝置；圖中：弗羅凱量子態和能級；圖右：弗羅凱微波激射器的頻譜。
本工作首次從理論上提出這種新型微波激射器的可行性，並成功在核自旋體系上實驗實現。為實現這一目標需要克服諸多挑戰：（1）通常情况下，原子核自旋的布居度只有百萬分之一，遠達不到微波激射器的閾值條件。為此，研究人員採用同位素惰性氣體氙氣（129Xe）作為微波激射器介質，利用自旋交換碰撞方法，成功將129Xe核自旋的布居度提高5個數量級。（2）以往微波激射器需要實現布居度的反轉，已致許多體系無法用於建造微波激射器。研究人員設計了一套精巧的外腔迴響控制系統（如圖左），消除了傳統微波激射器對反轉布居度的苛刻要求，擴大了微波激射器的適用範圍。在解决以上兩個挑戰的基礎上，進一步利用射頻磁場週期調製氙自旋體系的能級分裂，從而形成弗羅凱量子態（Floquet state）（如圖中）。經過兩年多的努力，研究團隊首次觀測到了弗羅凱量子態之間的受激輻射，標誌著在週期變化的量子體系上實現了微波激射器。這種新型微波激射器完全不同於以往，它呈現多個相位鎖定的多頻振盪，它們的頻率值等於弗羅凱能級間距，該現象類似於“頻率梳”結構（如圖右）。在本工作中，研究人員還利用該微波激射器攻克了低頻磁場雜訊難題，實現了迄今為止超低頻段（1-100 mHz）最高的磁場量測靈敏度。
本文作者將這種全新的量子器件命名為弗羅凱微波激射器（Floquet maser）。該研究工作建立起一座連接弗羅凱物理（Floquet physics）和微波激射器的橋樑，有望在廣泛的量子體系上實現微波激射器，為精密量測研究提供全新的科技手段。
《Science》雜誌以專文報導該工作，盛讚其“展示了全新的微波激射器”，“能够有效克服以往精密量測的低頻雜訊難題”，“為實現伽馬雷射提供了新可能性”，“該工作有望應用於高精度時鐘以及探測超輕暗物質”。
中國科學院微觀磁共振重點實驗室的江敏博士後為論文第一作者，彭新華教授為通訊作者。此項研究得到了科技部、國家自然科學基金委和安徽省的資助。
論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabe0719
《Science》”展望”報導：https://science.sciencemag.org/content/371/6531/780
Phys.org報導：https://phys.org/news/2021-02-maser-techniques-floquet.html
Helmholtz Institute報導：https://idw-online.de/de/news763416
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