[논문 리뷰] Ultrasensitive atomic comagnetometer with enhanced nuclear spin coherence

Kai Wei, Tian Zhao외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 17.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 최적화된 하이브리드 광학 펌프를 통해 핵 스핀 비탄성과 FCI(페르미-접촉 상호작용) 필드 기울기를 억제함으로써 21Ne-Rb-K 원자 공자장계를 개발하여 각도 감도를 $3 \times 10^{-8}$ rad/s/Hz$^{1/2}$로 달성한다. 이는 핵 스핀 공명과 초화학도를 10배 향상시켜 에너지 해상도 $3.1 \times 10^{-23}$ eV/Hz$^{1/2}$를 확보하며, 양성자 및 중성자 스핀에 관여하는 이국적인 스핀에 의존하는 상호작용을 탐색하는 데 이전 기준보다 4개의 주자 수준 높은 감도를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기장 변동과 스핀 비탄성으로 인한 원자 공자장계의 시스템적 오차를 극복하기 위해.
• 비자기적 필드에 대한 감도를 향상시키기 위해 알칼리-희귀가스 공자장계에서 핵 스핀 공명과 초화학도를 향상시키기 위해.
• 21Ne-Rb 시스템에서 강한 페르미-접촉 상호작용을 활용하여 제5력과 유사한 입자(axion-like particles)를 포함한 이국적인 스핀에 의존하는 상호작용을 초감도로 탐지하기 위해.
• 비균일한 FCI 필드에 기인한 비탄성을 억제하기 위해 최적화된 알칼리 스핀 균형 기울기를 갖춘 자기보정 영역을 수립하기 위해.
• 기본 대칭성과 새로운 물리학에 대한 정밀한 시험을 위해 에너지 해상도를 $10^{-23}$ eV/Hz$^{1/2}$ 이하로 달성하기 위해.

제안 방법

• 균일한 알칼리 스핀 균형을 확보하고 스핀 기울기 유도 비탄성을 감소시키기 위해 제어된 85Rb/87Rb 농도 비율을 활용한 하이브리드 광학 펌프를 적용하였다.
• 21Ne-Rb-K 공자장계에서 자가보정(SC) 영역을 활용하여 알칼리 전자 스핀과 21Ne 핵 스핀 간의 스핀 교환 상호작용을 통해 천천히 변화하는 자기장을 상쇄시켰다.
• 비균일한 알칼리 스핀 균형에서 기인한 페르미-접촉 상호작용(FCI) 필드 기울기를 핵 스핀 비탄성의 주요 메커니즘으로 규명하기 위해 이론 모델을 적용하였다.
• FCI 필드 비균일성을 최소화하기 위해 알칼리 스핀 분포를 최적화함으로써 횡방향 핵 스핀 공명 시간을 연장하였다.
• 고도의 핵 스핀 균형과 공명을 유지하면서 SERF 영역에서 피코테슬라 이하의 자기 감도를 확보하였다.
• 공자장계를 이용해 이국적인 스핀에 의존하는 힘에 대한 감도를 추정하였으며, 중성자-양성자 결합에 대해 감도가 $\lesssim 0.01$ fT이고 $\delta E_n \lesssim 4 \times 10^{-25}$ eV임을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 21Ne-Rb-K 공자장계에서 핵 스핀 공명을 제한하는 주요 비탄성 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 비균일한 알칼리 스핀 균형에서 기인한 FCI 필드 비균일성은 21Ne 핵 스핀 비탄성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최적화된 하이브리드 광학 펌프는 21Ne 공자장계에서 핵 스핀 초화학도와 횡방향 공명 시간을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 21Ne-Rb와 같은 강한 FCI 상호작용을 갖는 시스템에서 자가보정 영역은 얼마나 안정화되고 향상될 수 있는가?
• RQ5 이러한 공자장계의 이국적인 스핀에 의존하는 상호작용에 대한 감도는 어떻게 평가되며, 기존의 실험 및 천체물리학적 한계와 비교해 볼 때 어떠한가?

주요 결과

• 최적화된 하이브리드 광학 펌프와 FCI 필드 기울기 억제를 통해 21Ne의 횡방향 핵 스핀 공명 시간이 10배 향상되었다.
• 이전 연구 대비 핵 스핀 초화학도가 10배 향상되어 감도에 필수적인 고극성도 수준에 도달하였다.
• 0.2–1.0 Hz 주파수 대역에서 공자장계는 $3 \times 10^{-8}$ rad/s/Hz$^{1/2}$의 각도 감도를 달성하였으며, 이는 에너지 해상도 $3.1 \times 10^{-23}$ eV/Hz$^{1/2}$에 해당한다.
• 21Ne 핵 스핀 비탄성은 비균일한 알칼리 스핀 균형에서 기인한 FCI 필드 기울기로 인해 주로 발생하며, 이는 이전에 고려되지 않은 메커니즘이었다.
• 이국적인 스핀에 의존하는 상호작용에 대한 감도는 직접 실험 및 천체물리학적 한계를 4개 주자 수준 초월하여, 특히 중성자 및 양성자 스핀 결합에 대해 뛰어난 성능을 보였다.
• 시스템은 이국적인 자기장에 대해 $\lesssim 0.01$ fT의 감도와 중성자 스핀 결합에 대해 $\delta E_n \lesssim 4 \times 10^{-25}$ eV의 감도를 보이며, 유사한 입자(axion-like particles)와 라우어츠 대칭성 위반을 위한 새로운 탐색이 가능하다.