Floquet微波激射器

江苏激光联盟导读：

据悉，一支由中国科学院多家机构和德国亥姆霍兹联合会、约翰内斯·古腾堡大学组成的研究人员团队研究了将maser技术扩展到Floquet系统的可能性。该研究成果2021年2月17日发表在Science Advances杂志上，该研究团队描述了他们通过放大Floquet系统中的射频来创建新型maser的方法。

微波激射器(maser)已经变得无处不在，并产生了从激光器、原子钟、超灵敏磁共振波谱，低噪声放大器到深空通信方面的创新。由于激射器产生的无线电波的频率非常稳定，因此这些设备能够非常灵敏地测量由于与外部电磁场的相互作用而引起的频率偏移。这为开发应用物理学和基础物理学中的精密计量学提供了令人兴奋的可能性，例如磁力计、温度传感器、洛伦兹测试和荷电奇偶时反对称性违反以及搜索拓扑暗物质。

微波激射器已在多种系统中得到证明，例如氨分子、氢原子、稀有气体、并五苯分子以及硅和氮空位缺陷材料。然而，在周期性驱动的（Floquet）系统中，激射器的演示尚未得到探索，限制了在传感、光谱学和基础物理学中的广泛应用。脉宽调制器推广到周期性驱动系统将为许多新应用铺平道路，例如超低频磁场感应和搜索振荡电偶极矩(EDMs)。

为了达到上述目标，应考虑适当的周期性驱动的微波激射器(maser)增益介质。最近发展起来的Floquet系统的概念，仅在离散时间平移一个周期内是不变的，已经催生了有趣的前景，例如时间晶体和Floquet拓扑绝缘体。通过周期性驱动已经实现了多种Floquet系统，范围从周期性驱动的捕获离子和原子团簇到氮空位中心。为了开发周期性驱动的激射器，Floquet系统应该是一个出色的候选者。我们注意到，maser技术和Floquet系统的结合可以克服退相干效应，因此可以重新审视许多现象。例如，使用Floquet系统成功实现maser可能会为观察远距离时间动力学和具有亚毫赫兹分辨率的光谱学提供新的机会，这对于量子计量具有重要意义，例如在寻找演化的激光干涉仪空间天线(evolved Laser Interferometer Space Antenna, eLISA)中的引力波，其带宽为1到100 mHz，测量全球磁背景噪声（包括尝试地震的尝试），以及轴突暗物质搜索。尽管具有这些吸引人的特征，但迄今为止仍缺乏基于Floquet系统的masers的演示。

在这项新的工作中，研究人员设想了一种Floquet maser，它可以通过使用锁相并由调制频率隔开的频率梳来工作。

图1. 实验装置和阻尼反馈机制示意图。
▲图解：（A）Floquet 129Xe核旋激射器的示意图。129Xe原子被极化并通过与光泵浦的87Rb的自旋交换碰撞进行检测（请参见材料和方法）。在偏磁场和沿z的振荡磁场下，129Xe自旋磁耦合到一个反馈电路，该反馈电路沿y反馈实时Bf（t）并感应129Xe自旋的阻尼。DAQ，数据采集。（B）对于三个不同的反馈增益（对应于不同的Td）测得的自由衰减129Xe信号。在此，自旋种群Pz和反馈增益χ最初被设置为Pz> 0，χ<0或Pz <0，χ> 0。Td由相应的衰减时间T2和π15激发角确定。（C）测得的衰减时间T2作为阻尼时间的函数（黑色符号）。红线与（T-12,0 + T-1d）-1拟合，其中T2,0表示没有反馈的固有退相干时间。（D）翻转π角后的两个不同阻尼时间的瞬时maser运算，引起129Xe自旋种群的反转。衰减信号可以配合插图中所示的双曲正割函数。

该团队创造的激光激射器始于激光在偏振分束器处通过波片发射光束的过程。分离的光束然后以低频周期性传播到调制磁场。然后，将磁场施加于氙-129样品的核自旋，该磁场通过与少量铷-87原子的自旋交换来检测。然后将自旋转变信号放大并传递到产生第二反馈磁场的线圈中。结果是磁场产生了周期性调制的量子态（也称为Floquet态）的上下阶梯。该设备的测试表明，它能够将1到100 Mhz的调制信号转换为10 Hz以上的高跃迁频率，超窄谱线宽小于0.3 Mhz。

▲图2. Floquet maser的演示

研究人员建议，他们的微波激射器可用于在亚皮克特斯拉级灵敏度下测量低频磁场，他们指出，这可能在寻找暗物质方面发挥了作用。

香港中文大学的Ren-Bao Liu在同一期Science Advances上发表了Perspectives（观点）文章，概述了先前的工作，这些工作扩大了masers的功能，以及该团队在这项最新工作上所做的研究。

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