中国科大实现冷原子共磁力仪

近日，中国科学技术大学与合肥国家实验室卢征天、夏添等人合作，利用光学量子调控方法实现了冷原子共磁力仪。研究团队将两种镱原子同位素共同囚禁在同一光阱中，同步测量其自旋进动，实现了超过3万倍的磁场噪声抑制因子。该成果建立了一种具有微米尺度空间分辨率的自旋传感平台，为研究与自旋相关的短程相互作用提供了新途径。相关研究以“Cold-atom comagnetometry via optical control of spin states”为题，8月17日发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）上。

原子自旋传感器广泛应用于精密测量与量子信息科学。共磁力仪同时、同地测量两种具有不同旋磁比的自旋体系，并对其自旋进动频率进行比较，消除共模磁场波动效应，同时保留对非磁相互作用引起的自旋态能级位移的灵敏响应。传统气室共磁力仪已在基础物理检验等领域发挥重要作用，但其空间尺度受气室尺寸和壁厚限制。相比之下，冷原子可由激光囚禁在微米尺度区域，具有极高的空间分辨率。

图1.镱冷原子共磁力仪示意图及两种同位素原子的自旋进动信号

在本项工作中，研究团队将171Yb（自旋1/2）与173Yb（自旋5/2）两种同位素共同囚禁在一维光晶格中，构建了基于纯核自旋的冷原子共磁力仪。冷原子系统中实现长时间自旋相干的关键挑战，是抑制光晶格中光频移引起的退相干效应。对于171Yb，自旋1/2的结构使其天然不受张量光频移影响；对于高自旋的173Yb，研究团队利用薛定谔自旋猫态，使其进动频率对张量光频移不敏感。团队此前已利用这一方法解决了高自旋体系的张量光频移退相干问题[Nat. Photon. 19, 89 (2025)]。