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9159游戏官网量子中心实现 单离子探针对极微弱力的精密探测
发表日期:2021/10/8 14:24:01

近日,9159游戏官网-www.9159.com|歡迎您量子精密测量研究中心(以下简称:量子中心)与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院合作,利用离子阱芯片实验平台的单离子探针技术,精确探测到了交变电场的微弱变化所导致的10-24牛顿量级(1牛顿=9.8千克)的力,并展示了简单和快捷的优良技术特性,研究成果发表在国际应用物理的权威期刊《物理评论应用》上

自从牛顿力学诞生以来,力一直是定量描述大自然演化和人类自身活动的一个重要的物理量。按照现代物理学的定义,自然界由四种基本力组成,即万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。不断提高对这些力的探测精度既是科技进步的要求,也代表着一个国家的科技实力。历史的经验不止一次地证明,精密测量水平的进步不仅会给人类带来基础认知上的突破,更是重大科技成果产生的前提基础。近年来,原子分子体系的高精度和高灵敏度传感特性为探测极微弱力提供了前所未有的可能性,其中以囚禁在电磁势阱中的离子作为纳米探针可以对微尺度的表面形态、摩擦力和能量涨落作精密测量,也可以在可见光的波长尺度以下做高精度的观测,揭示量子特性。

量子中心研究团队一直致力于发展基于离子阱中40Ca+离子的精确操控和精密测量等关键技术。经过多年坚持不懈的探索,该团队自主研发了多款不同功能和尺寸的表面电极型平面离子阱芯片。芯片的最大尺寸不超过壹圆钱的硬币,含有多对200-700微米的电极,在电场操纵下可以产生多个势阱,且势阱深度可调。这些芯片既是可扩展型量子计算芯片的雏形,也是操控纳米探针的精密测量传感装置。在本项工作中,研究人员首先通过精巧的操作,让离子进入相干振动的状态(专业术语为“声子激光态”),然后通过注入锁定技术和压缩态技术提高测量的信噪比,最终成功探测到由交变电场微弱变化导致的 86.5 yN (1 yN= 10-24 牛顿)的力,探测的灵敏度为 347 yN/(Hz)1/2。尤为重要的是,完成这个测量不需要事先将离子冷却到超冷状态,因此对冷却技术的要求相对较低;而且研究人员采用了自己发明的高效测量新方法,将每个数据点的有效测量时间缩减到10秒,远远短于国际上同类型工作中所需的测量时间。

该项工作有可能应用于对电场噪声的精密探测,也可以用于测量力的极微弱的梯度变化,从而推动量子精密测量技术的实际应用。另外,该项工作所显示的探测精度已经接近单个分子的核磁矩的变化量级,因此有可能为微尺度核磁共振研究提供新的思路。该研究得到广东省重点领域研发计划重大专项项目“精密探测金属表面噪声和环境磁场的囚禁离子探针的实验探究”、科技部国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。


      

图一、实验原理图。主图为囚禁了单个40Ca+离子的表面电极型平面离子阱芯片,离子在两束激光的操控下表现为对外界扰动极为敏感的相干振动(即声子激光)形态;右上子图是40Ca+离子的能级示意图。



图二、 微弱力的测量结果。蓝色点为注入锁定下的测量结果;橘色点为增加了压缩信号的测量结果。误差棒为测量的统计标准差。

 

(论文链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.16.044007

 





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