[論文レビュー] Ultrasensitive atomic comagnetometer with enhanced nuclear spin coherence

Kai Wei, Tian Zhao+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、最適化されたハイブリッド光励起を用いて核スピンの緩和を抑制することで、回転感度が $3 \times 10^{-8}$ rad/s/Hz$^{1/2}$ に達する、21Ne-Rb-K原子共磁力計を提案している。これにより、核スピンのコherー二ティとハイパーポラリゼーションが10倍向上し、陽子および中性子スピンに関与する未知のスピン依存相互作用を調べるためのエネルギー分解能が $3.1 \times 10^{-23}$ eV/Hz$^{1/2}$ に達し、従来の限界を4桁も上回った。

ABSTRACT

Achieving high energy resolution in spin systems is important for fundamental physics research and precision measurements, with alkali-noble-gas comagnetometers being among the best available sensors. We found a new relaxation mechanism in such devices, the gradient of the Fermi-contact-interaction field that dominates the relaxation of hyperpolarized nuclear spins. We report on precise control over spin distribution, demonstrating a tenfold increase of nuclear spin hyperpolarization and transverse coherence time with optimal hybrid optical pumping. Operating in the self-compensation regime, our $^{21}$Ne-Rb-K comagnetometer achieves an ultrahigh inertial rotation sensitivity of $3 imes10^{-8}$\,rad/s/Hz$^{1/2}$ in the frequency range from 0.2 to 1.0 Hz, which is equivalent to the energy resolution of $3.1 imes 10^{-23}$\,eV/Hz$^{1/2}$. We propose to use this comagnetometer to search for exotic spin-dependent interactions involving proton and neutron spins. The projected sensitivity surpasses the previous experimental and astrophysical limits by more than four orders of magnitude.

研究の動機と目的

• 磁場の揺らぎとスピン緩和によって引き起こされる原子共磁力計の系統的誤差を克服すること。
• アルカリ-希ガス共磁力計における核スピンコherー二ティとハイパーポラリゼーションを向上させ、非磁気的場への感度を高めること。
• 21Ne-Rb系における強いフェルミ接触相互作用を活用して、未知のスピン依存相互作用（第五力やaxion-like粒子など）の超感度検出を可能とすること。
• 最適化されたアルカリスピン極化勾配を用いて自己補償状態を確立し、不均一なFCI磁場による緩和を抑えること。
• 10^{-23} eV/Hz$^{1/2}$未満のエネルギー分解能を達成し、基本対称性の精密検証および新物理の探査を可能とすること。

提案手法

• 85Rb/87Rb密度比を制御したハイブリッド光励起を用い、アルカリスピン極化の均一性を高め、スピン勾配に起因する緩和を低減した。
• 21Ne-Rb-K共磁力計における自己補償（SC）状態を活用し、アルカリ電子スピンと21Ne核スピン間のスピン交換相互作用によって、ゆっくり変化する磁場をキャンセルした。
• 理論的モデルを適用して、非均一なアルカリスピン極化に起因するフェルミ接触相互作用（FCI）磁場勾配が、21Ne核スピンの緩和の主因であることを同定した。
• アルカリスピン分布を最適化してFCI磁場の不均一性を最小化し、横方向核スピンコherー二ティ時間の延長を達成した。
• SERF状態において、1フェムトテスラ未満の磁気感度を達成しながら、高い核スピン極化とコherー二ティを維持した。
• 共磁力計を用いて未知のスピン依存力への感度を予測し、中性子-陽子結合に対しては感度が $\lesssim 0.01$ fT、エネルギー差 $\delta E_n \lesssim 4 \times 10^{-25}$ eV に達することを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 21Ne-Rb-K共磁力計における核スピンコherー二ティを制限する主な緩和機構は何か？
• RQ2 非均一なアルカリスピン極化に起因するフェルミ接触相互作用（FCI）磁場の不均一性は、21Ne核スピン緩和にどのように影響するか？
• RQ3 最適化されたハイブリッド光励起により、21Ne共磁力計における核スピンハイパーポラリゼーションと横方向コherー二ティ時間は著しく向上するか？
• RQ4 21Ne-Rbのような強いFCI相互作用を有する系において、自己補償状態はどの程度安定化・強化可能か？
• RQ5 このような共磁力計の未知のスピン依存相互作用への感度はどの程度であり、既存の実験的・天体的限界と比較してどうか？

主な発見

• 最適化されたハイブリッド光励起とFCI磁場勾配の抑制により、21Neの横方向核スピンコherー二ティ時間が10倍に向上した。
• 核スピンハイパーポラリゼーションは、従来の研究と比較して10倍向上し、感度に不可欠な高い極化度に達した。
• 共磁力計は0.2–1.0 Hz帯域で $3 \times 10^{-8}$ rad/s/Hz$^{1/2}$ の回転感度を達成し、エネルギー分解能は $3.1 \times 10^{-23}$ eV/Hz$^{1/2}$ に相当した。
• 21Ne核スピンの緩和は、非均一なアルカリスピン極化に起因するフェルミ接触相互作用（FCI）磁場勾配によって支配されており、これは以前に考慮されていなかったメカニズムであった。
• 未知のスピン依存相互作用への感度は、特に中性子および陽子スピン結合において、直接的な実験的・天体的限界を4桁以上上回った。
• このシステムは、未知の磁場に対して $\lesssim 0.01$ fT、中性子スピン結合に対しては $\delta E_n \lesssim 4 \times 10^{-25}$ eV の感度を示し、axion-like粒子やローレンツ対称性の破れの新規探索を可能にした。