北航专辑 | 房建成院士：SERF惯性测量装置——运载体“领航员”与暗物质“捕手”

本文为中国激光第2687篇。欢迎点击在看、转发，让更多人看到。

编者按

《中国激光》服务学科发展，积极打造“院校专辑”品牌。2022年恰逢北京航空航天大学建校70周年，在北京航空航天大学房建成院士、徐立军教授、宋凝芳教授、王琼华教授、郑铮教授和余霞教授六位组稿专家的支持下，“北京航空航天大学建校70周年——‘空天仪光’纪念专辑”顺利出版，以此献礼北航逐梦九天七十载。点击查看专辑网页。

专辑内封面文章来源于北京航空航天大学房建成院士团队受邀撰写的论文《SERF原子自旋惯性测量耦合系综响应模型研究》。团队建立了完整的基于K-Rb-²¹Ne系综的SERF惯性测量装置响应模型，研究分析了不同自旋系综组合之间的差异，为提高SERF惯性测量装置的动态性能和灵敏度提供了新的思路，为惯性导航和基础物理探索的发展提供了基础。

论文信息：徐子童, 魏凯, 翟跃阳, 全伟, 房建成. SERF原子自旋惯性测量耦合系综响应模型研究[J]. 中国激光, 2022, 49(19): 1904001

封面解读

封面展示了基于原子自旋的超高灵敏无自旋交换弛豫（SERF）惯性测量装置，利用抽运激光实现碱金属电子自旋极化，通过碱金属原子和惰性气体原子之间的自旋交换碰撞，实现惰性气体核自旋超极化。自旋极化的原子系综在待测信号作用下会发生自旋进动，利用检测激光与碱金属原子的相互作用能实现自旋信号的读取，从而实现作用信号的测量。SERF惯性测量装置能实现对角速度和奇异作用场的超高灵敏测量，在惯性导航、前沿基础物理探索（暗物质探测、第五种力测量、CPT对称性破缺验证）等方面具有广阔应用前景。

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研究背景

随着量子信息领域新的物质作用机理和操控方法的不断发现，量子精密测量技术发展突飞猛进，基于无自旋交换弛豫(SERF)效应的磁场和惯性测量技术在国内外成为了研究热点。

什么是惯性测量技术？SERF惯性测量又是什么？

惯性测量技术是一种全自主、抗干扰、隐蔽、连续、无时间和环境限制的各类载体运动信息实时感知技术。经典陀螺旋转时具有定轴性，以旋转方向作为标准就可以实现惯性测量，后续逐渐发展出基于新机理的测量模式。目前广泛应用的陀螺仪主要包括机电式陀螺仪，光学陀螺仪和微机电式陀螺仪。

无自旋交换弛豫（SERF）惯性测量利用原子系综进行高精度惯性转动测量。我们可以把原子自旋形象地看作原子绕着一个轴转动，形成一个高速的小陀螺。SERF惯性测量装置中1cm³的气室里含有约10¹⁴个碱金属原子和10²⁰个惰性气体原子，利用抽运激光和自旋交换碰撞作用实现这些小陀螺的宏观集体运动，就能够实现惯性测量信号的超高灵敏测量。当角速度或奇异作用场作用于其上时，原子自旋进动会使检测激光的偏振方向发生偏转，旋光角中就包含了待测量的信息。

SERF惯性测量装置不仅具有实现超高灵敏惯性测量的潜力，有望应用于长航时高精度惯性导航领域；还广泛应用于暗物质探测、CPT对称性破缺验证和奇异相互作用力测量等超越标准模型的新物理探索方面，是大型强子对撞机、暗物质探测卫星和极深地下极低辐射本底测量装置等新物理探索方案的一个有效补充，有望在低能区产生科学新发现。

SERF惯性测量装置包含碱金属电子自旋系综和惰性气体核自旋系综，对外部输入响应的研究不可避免地涉及到两个系综的耦合。为了提高SERF惯性测量装置的灵敏度，需要建立完整的响应模型，研究电子自旋-核自旋耦合特性，并分析其关键影响因素。

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创新工作

北京航空航天大学房建成院士团队根据描述电子自旋和核自旋耦合的 Bloch 方程建立了瞬态和稳态响应模型。对于瞬态响应，通过实验和仿真比较了补偿点和强耦合点对磁场、角速度和奇异场的动态响应；对于稳态响应，模拟了不同输入信号的响应系数和偏置磁场之间的关系。为了进一步研究角速度响应强度的影响因素，团队分析了自补偿点处角速度响应系数随电子自旋极化率和弛豫率的变化。

首先，对建立的动态响应模型和稳态响应模型的正确性进行了仿真和实验验证。对K-Rb-²¹Ne系统中补偿点处的奇异场和角速度输入进行了仿真，从图1可以看出，惯性测量系统对角速度和奇异场的作用较为敏感，且响应过程基本重合，稳态值几乎相等[图1(a)]。对于磁场响应，自补偿点处的稳态值接近于零，达到稳态所需时间约3.7 s。强耦合点处的衰减振荡过程最短暂，约为50 ms，比自补偿点时快约75倍，说明此时动态性能最好[图1(b)]。

图1 方波输入响应信号（插图为将主图放大后的图像，与主图使用同一坐标系）。（a）奇异场和角速度响应；（b）不同偏置磁场下的磁场响应

此外，模拟了在不同偏置磁场下对磁场、电子自旋相关奇异作用力、核自旋相关奇异作用力以及角速度信号的响应强度。如图2所示，在自补偿点，惯性测量装置对奇异场和惯性旋转的响应最强，而对磁场的响应最弱。

图2 响应系数与偏置磁场的关系。（a）-（d）K-Rb-²¹Ne系统中的系数；（e）-（h）K-Rb-³He系统中的系数

为了进一步研究角速度响应强度的影响因素，团队分析了在自补偿点处的随电子自旋极化率和弛豫率的变化情况。如图3所示，自补偿点处存在一个最优电子自旋极化率，使得角速度响应系数最大。这个最佳极化率与原子种类和弛豫率有关，在这个点上，通过降低电子弛豫率可以使角速度响应系数加倍。

图3 自补偿点处响应系数与电子自旋极化率和弛豫率的关系。（a）K-Rb-²¹Ne系统中的系数；（b）K-Rb-³He系统中的系数

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结论与展望

团队建立了完整的基于K-Rb-²¹Ne系综的SERF惯性测量装置响应模型，比较了 K-Rb-³He 和 K-Rb-²¹Ne 惯性测量装置的响应，并量化了响应速率和响应幅度的影响因素。研究分析了不同自旋系综组合之间的差异，为提高SERF惯性测量装置的动态性能和灵敏度提供了新的思路，为惯性导航和基础物理探索的发展提供了基础。

为了进一步提升SERF惯性测量的性能指标，后续需要重点研究自旋系综弛豫机制与抑制、自旋系综精密操控和关键噪声抑制等技术难点，以实现灵敏度和漂移等指标的提升，支撑SERF惯性测量技术工程化应用，同时服务前沿基础物理学探索。

 课题组介绍 

北京航空航天大学房建成院士团队长期开展量子精密磁场与惯性测量研究，获得了国家重大仪器专项、国家“973计划”项目、国家“863计划”项目、国家重点研发计划项目等多项国家级重大重点项目支持，研制了超高灵敏原子自旋磁场和惯性测量装置，并应用于第五种力等前沿基础物理探索。同时，团队正在开展高精度SERF陀螺仪、小型化原子陀螺仪、SERF计量磁强计、小型化原子磁强计等仪器传感器的研制，并正在开展高精度惯性导航与医学成像等领域的应用研究。此外，团队获批承担国家“十四五”重大科技基础设施建设任务，打造国际领先的大型零磁极端环境，服务于零磁科学前沿基础研究。

北京航空航天大学房建成团队部分师生合影

2020年12月，在杭州滨江区成立杭州极弱磁场重大科技基础设施研究院，汇聚人才支撑大科学设施建设，同时开展技术转化孵化交叉研究平台。2022年3月，北航成立大科学装置研究院，推动研究生培养及基础科学研究。

“超高灵敏极弱磁场和惯性测量装置”国家重大科技基础设施总体效果图

 通讯作者简介 

魏凯，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，博士后。长期从事量子精密惯性与磁场测量研究，开展了核自旋自补偿机理分析与自补偿能力提升、自旋交换弛豫抑制、低噪声磁屏蔽和原子气室研制等关键技术研究，成功研制超高灵敏原子自旋惯性测量装置，并应用于第五种力和暗物质测量等新物理探索。

科学编辑 | 徐子童 魏凯

编辑 | 沈灵灵

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