基于光场-原子自旋压缩态的高精度磁场测量实验研究

The ability to measure magnetic fields with high precision is a key requirement in many physical,biological and medical applications.Atomic magnetometers based on atomic ensembles are currently the most precise devices.Two distinct sources of quantum noise determine the fundamental precise of this technique: the atomic projection noise and the optical polarization noise.These two noise has limit the development of the megnetometer.In order to reduce the noise, Polzik and Mitchell have applied the spin squeezing state and a polarization-squeezed light to improve the preciseion of the magnetometer, they reduced the noise below the shot noise limit.Nowaday, there isn't experimental research to reduce the two noises at the same time.Based on our previous research,we put forward our own proposal. We use coherent Raman scattering to produce the sequeezed state between the atomic spin and polarized light, the sequeezed state could reduced the two kinds of noise at the same time. We will manipulate the sequeezed state to increase the system signal-to-noise ratio and measure the magnetic field. The result of the application will not only improve the precision of the magnetometer, but also enrich the scientific content of the quantum optics.

超高精度的磁场测量技术在很多科学研究、工业、生物和医药应用等领域有着广泛的应用。目前国际上测量精度最高的磁力计是原子磁力计。经典的原子磁力计采用普通的相干光和原子池，分别给测量系统带来光极化噪音和原子投影噪音，两者大小相当，已经成为了高精度磁场测量的挡路石。为了降低噪音，2010年Polzik和Mitchell小组分别采用原子自旋压缩态和光极化压缩态来减小原子投影噪音和光场极化噪音，将系统噪音减小至标准量子限以下。目前国际上还没有方案提出同时降低原子和光场带来的噪音。本项目正是针对这一研究现状，在我们前期研究基础上，提出原创性实验方案，并从实验上获得突破。其原理是用相干拉曼散射在原子系综中制备出光-原子自旋量子压缩态，可同时降低光与原子的噪音，再对压缩态进行量子操作，提高系统信噪比，量子测量磁场大小。本项目成果不仅将改善原子磁力计的精度，而且将丰富量子光学的科学内容。

超高精度的磁场测量技术在很多科学研究领域有着广泛的应用。经典的原子磁力计测量精度受限于无关联的测量光场噪音和原子投影噪音，两者大小相当，是实现高精度磁场测量的挡路石。本项目正是针对这一研究现状，在我们前期研究基础上，提出原创性实验方案，采用拉曼散射过程实现光-原子关联态，并以此为基础同时降低来自光场和原子系统的测量噪音，从实验和理论上获得突破。项目经过几年不懈的努力，取得了一些国际水平的创新性成果，在实验上发展了基于光-原子关联的磁场精密测量新技术，在原子相干时间为300ns情况下的磁场测量的精度为10^(-10)T。特别是发展出来新的精密测量技术不仅能够用于对磁场进行高精度测量，而且能够用于精密测距等应用中。项目研究在国际权威物理刊物Physical Review Letters 上发表论文1篇，国际权威光学刊物Optica上发表论文1篇，国内外一流物理刊物如Physical Review A、Optical Express、Applied Physical Letters 等上发表论文共14篇。相关论文发表后得到了国际同行的普遍关注，被Physical Review Letters编辑选为“编辑推荐文章”进行推荐；被Nature Photonic选为Research Highlight工作进行介绍和评述；被中国激光杂志社评为2015中国光学重要成果等。发展出来的三场稳相“Sagnac–Michelson”技术被美国橡树里国家实验室在他们的文章中重点介绍并用于他们的三光干涉仪稳相。新发展的精密测量技术获得国家发明专利授权三项，实用新型专利授权一项，另有两项发明专利正在授权公示。