特邀综述：基于自旋交换碰撞的惰性气体自旋放大效应

Haowen SU, Min JIANG, Xinhua PENG, Review of noble-gas spin amplification via the spin-exchange collisions. Sci China Inf Sci, DOI: 10.1007/s11432-022-3550-1

惰性气体体系的研究是物理学、宇宙学、天文学和医学等热门领域的重要基础。近年来相关研究的飞速发展，为量子精密测量、医学诊疗、新奇相互作用搜寻等重大前沿科学问题的探索提供了变革性手段。惰性气体具有优秀的物理化学性质：完整的电子壳层保护使得惰性气体的核自旋具有长相干时间，可以实现高灵敏度和高稳定度的量子精密测量技术和量子操控技术；良好的化学惰性使得惰性气体核自旋在高分辨核磁共振成像技术中广泛应用。通过原理和方法的创新，基于惰性气体核自旋体系的高新技术将进一步发展，有望服务于电偶极矩测量、暗物质探测等世界科技前沿领域，重大疑难心脑疾病诊断等人民生命健康领域，磁异常反潜、深空磁探测、极弱磁计量等国防重大战略需求领域，以及自主科研仪器产业化的经济主战场领域。

SCIENCE CHINA Information Sciences 第10期即将出版的“量子信息专题”特邀中科大彭新华教授撰写综述“Review of noble-gas spin amplification via the spin-exchange collisions”。本文主要总结了近期发展的基于惰性气体核自旋体系的新型量子精密磁测量技术。该技术使用气态氙和铷原子混合蒸气室，利用铷原子与氙原子的随机自旋交换碰撞，在静态和周期性驱动体系（弗罗凯体系）实现了全新的自旋放大效应和自旋微波激射效应。

自旋放大效应以及放大倍数

这种放大机制完全不同于以往机制：该技术利用激光先极化铷原子蒸气，铷再将氙原子的核自旋极化，可以得到约0.3的自旋极化度，远超过传统的热极化方法；传统方法需要对氙原子进行外部探测，而新技术通过铷原子与氙原子的随机自旋交换碰撞，就可以将氙原子的信号高灵敏读出，极大地简化了装置体积和复杂度。基于该物理机制，研究人员设计出磁场量子放大器，并将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合，将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍。

飞特斯拉级别次探测灵敏度

另一方面，自旋微波激射效应迄今为止只在少数静态体系实现，对于弗罗凯体系，之前未有任何的理论和实验报道。研究人员利用射频磁场周期调制氙自旋体系的能级分裂，并进一步通过精巧的外腔反馈控制系统，实现了布居度的反转，首次观测到了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，扩大了微波激射器的适用范围。研究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。 

基于新型的自旋放大效应和自旋微波激射效应，研究人员搭建超灵敏的量子磁传感器并应用于新奇相互作用的搜寻。实验搜寻超越标准模型的新奇相互作用是物理学和宇宙天文学研究的重大基础科学问题。由于粒子物理学标准模型并不完备，物理学家都在试图通过各种实验，以发现标准模型之外的新粒子和基本力，例如暗物质和第五种力。这种新奇相互作用极其微弱，因此很难被观测到（如果存在的话），亟需具有超高灵敏度的实验测量技术。研究人员利用超高灵敏度核自旋量子放大器技术搜寻轴子暗物质和原子核的相互作用，优于先前的国际上最佳轴子-原子核耦合界限至少5个数量级，并且首次突破公认最强的宇宙天文学界限。此外，研究人员利用超灵敏量子精密测量技术搜寻新波色子传递的第五力，并由此给出新粒子与原子核耦合界限，其优于以前国际最佳界限至少2个数量级。

暗物质探测界限

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