超高灵敏原子自旋惯性测量中的磁噪声抑制方法与实验研究

In the field of quantum precision measurement, the inertia measurement technique based on the atomic spin effect has been developing rapidly. It is expected to break through the precision limit of conventional inertia measurement techniques. However, the present precision of the inertia measurement technique based on the atomic spin effect is far from its precision limit due to various ambient interferences and measurement errors of the technical approaches. Magnetic noise introduced by magnetic ambient and magnetic shield is one of the key factors. Therefore, aiming at this problem, this project will study on the magnetic noise suppression method for ultra-high sensitivity inertial measurement based on the atomic spin effect. The study will be conducted from two aspects: passive suppression and active suppression. The following research works are mainly developed in this project: the analysis and passive suppression method of magnetic noise for the low conductivity material magnetic shield, the close-loop control and active suppression method of the magnetic noise based on electron spin and nuclear spin ensemble, and the experimental evaluation of the passive and active suppression methods under the multi-interference condition. The expected achievement would support the improvement of the inertial measurement sensitivity and the development of the high-precise inertial navigation technique. It also can be applied in fundamental physics, such as the detection of the fifth force, the experimental demonstration of CPT, and the measurement of electric dipole moment.

在量子精密测量领域，基于原子自旋效应的惯性测量技术发展迅速，有望突破传统惯性测量的精度极限。但是，由于各种环境因素干扰和技术手段的限制，目前原子自旋惯性测量的精度还远未达到其理论极限，其中由磁环境和磁屏蔽系统等引入的磁噪声是制约惯性测量精度进一步提高的最关键因素之一。针对这一问题，本项目将以抑制磁噪声，提高原子自旋惯性测量灵敏度为目标，从主动抑制和被动抑制两方面入手，重点开展低导电材料磁屏蔽系统的噪声分析与被动抑制方法研究、基于电子-核子自旋系综的磁噪声闭环主动抑制方法研究，以及多干扰因素下的磁噪声主被动抑制能力评估方法研究。预期成果将支撑原子自旋惯性测量灵敏度的提升，为高精度惯性导航的跨代发展提供重要的技术基础，并服务于基础物理学中的第五种力探测、电荷宇称时间反演对称破缺验证、电偶极矩测量等科学研究。

在量子精密测量领域，基于原子自旋效应的惯性测量技术发展迅速，有望突破传统惯性测量的精度极限，对未来量子惯性导航、前沿物理学研究均具有重要意义。但是，由于各种环境因素干扰和技术手段的限制，目前原子自旋惯性测量的精度还远未达到其理论极限，其中由磁环境和磁屏蔽系统等引入的磁噪声是制约惯性测量精度进一步提高的关键因素之一。针对这一问题，本项目开展了磁噪声抑制相关的理论方法和实验研究，主要包括以下三方面的研究工作。（1）磁屏蔽系统磁噪声的分析与被动抑制方法：提出了一种基于Bertotti损耗模型的磁屏蔽噪声分析方法，准确分离出了铁氧体磁屏蔽中的噪声分量；基于涨落耗散理论和有限元方法，对铁氧体磁屏蔽的磁噪声进行了精确建模、分析与参数优化方法研究，有效降低了磁噪声水平。（2）磁噪声闭环主动抑制方法：提出了一种基于原子气室温度闭环控制降低核自旋横向弛豫率而主动抑制磁噪声的方法，以及一种原位原子磁强计的三轴磁场闭环归零控制方法，可实现干扰磁场噪声影响的有效抑制。（3）多干扰因素下的磁噪声主被动抑制能力评估方法：对原子自旋进动信号检测噪声进行了全面分析，建立了一种基于光强—噪声特性的磁噪声和检测噪声分离模型，并提出了基于检测系统动态响应抑制的检测噪声-磁噪声解耦方法，实现了系统检测噪声和磁噪声的精确测量。基于以上研究成果，本项目共发表SCI论文18篇，申请和授权国家发明专利6项。