[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文提出了一种超灵敏的 21Ne-Rb-K 原子共磁力仪，通过优化混合光学泵浦抑制核自旋弛豫，将核自旋相干性和极化度提高了十倍，实现了 $3 \times 10^{-8}$ rad/s/Hz$^{1/2}$ 的旋转灵敏度。该系统实现了 $3.1 \times 10^{-23}$ eV/Hz$^{1/2}$ 的能量分辨率，比以往极限高出四个数量级，可用于探测涉及质子和中子自旋的奇异自旋依赖性相互作用。

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.

研究动机与目标

• 克服由磁场波动和自旋弛豫引起的原子共磁力仪系统误差。
• 在碱金属-稀有气体共磁力仪中提高核自旋相干性和极化度，以增强对非磁性场的灵敏度。
• 通过利用 21Ne-Rb 系统中强的费米接触相互作用，实现对奇异自旋依赖性相互作用（如第五种力和轴子样粒子）的超灵敏探测。
• 通过优化碱金属自旋极化梯度，建立自补偿机制，以抑制非均匀费米接触相互作用（FCI）场引起的弛豫。
• 实现低于 $10^{-23}$ eV/Hz$^{1/2}$ 的能量分辨率，用于精确检验基本对称性与新物理。

提出的方法

• 采用受控的 85Rb/87Rb 密度比进行混合光学泵浦，实现均匀的碱金属自旋极化，减少由自旋梯度引起的弛豫。
• 在 21Ne-Rb-K 共磁力仪中利用自补偿（SC）机制，通过碱金属电子与 21Ne 核自旋之间的自旋交换相互作用，抵消缓慢变化的磁场。
• 应用理论模型，识别出非均匀碱金属自旋极化引起的费米接触相互作用（FCI）场梯度是 21Ne 核自旋弛豫的主要机制。
• 优化碱金属自旋分布，以最小化 FCI 场的不均匀性，从而延长横向核自旋相干时间。
• 在 SERF 区域实现亚飞特斯拉的磁灵敏度，同时保持高核自旋极化度和相干性。
• 利用共磁力仪估算对奇异自旋依赖性力的灵敏度，预测对中子-质子耦合的灵敏度为 $\lesssim 0.01$ fT，能量分辨率为 $\delta E_n \lesssim 4 \times 10^{-25}$ eV。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 21Ne-Rb-K 共磁力仪中，限制核自旋相干性的主要弛豫机制是什么？
• RQ2 非均匀碱金属自旋极化引起的费米接触相互作用场不均匀性如何影响 21Ne 核自旋弛豫？
• RQ3 经过优化的混合光学泵浦是否能显著提高 21Ne 共磁力仪中的核自旋超极化度和横向相干时间？
• RQ4 在具有强 FCI 相互作用的系统（如 21Ne-Rb）中，自补偿机制能在多大程度上实现稳定与增强？
• RQ5 此类共磁力仪对奇异自旋依赖性相互作用的预期灵敏度是多少？与现有实验和天体物理极限相比如何？

主要发现

• 通过优化混合光学泵浦和抑制 FCI 场梯度，21Ne 的横向核自旋相干时间提高了十倍。
• 与以往工作相比，核自旋超极化度提高了十倍，达到对灵敏度至关重要的高极化水平。
• 该共磁力仪在 0.2–1.0 Hz 频率范围内实现了 $3 \times 10^{-8}$ rad/s/Hz$^{1/2}$ 的旋转灵敏度，对应能量分辨率为 $3.1 \times 10^{-23}$ eV/Hz$^{1/2}$。
• 发现 21Ne 核自旋的弛豫主要由非均匀碱金属自旋极化引起的费米接触相互作用场梯度主导，这是一种此前未被充分考虑的机制。
• 对奇异自旋依赖性相互作用的预测灵敏度比直接实验和天体物理极限高出四个多数量级，尤其在中子和质子自旋耦合方面表现突出。
• 该系统对奇异磁场的灵敏度为 $\lesssim 0.01$ fT，对中子自旋耦合的能量分辨率为 $\delta E_n \lesssim 4 \times 10^{-25}$ eV，可实现对轴子样粒子和洛伦兹对称性破缺的新探测。