高稳定度氙气同位素共磁力仪与单极-偶极作用测量

Nuclear spin comagnetometers are very useful in spin related precision measurements, and one important type is the xenon isotope comagnetometer. The compact xenon isotope-alkali metal atom system is also an important branch of miniaturized atomic devices. To improve the stability of this system, we design a new measurement scheme, which focuses on reducing the influence of Xe131 quadrupole moment and polarized alkali atoms by producing controllable and resolvable quadrupole splitting and precise control of atomic polarization. It shows that we could control the error of Xe129-Xe131-Rb system to be better than 10 nHz. Using such a system, we could study the sub-mm scale monopole-dipole interaction for the search of new physics beyond the standard model. With one week measurement time, we could improve current experimental limit of this interaction by one order of magnitude.

核自旋共磁力仪广泛应用于与自旋相关的精密测量中。氙气同位素共磁力仪是其中重要的一个类型，它和碱金属原子组成的集成型系统也是小型化精密原子器件的重要发展方向。为了提高这个系统长期稳定性，我们提出了新的测量方案，着重通过精确控制核自旋的电四极分裂和碱金属原子极性，大幅度降低Xe131电四极分裂和极化碱金属原子带来的系统误差。可行性分析表明，我们可以将Xe129-Xe131-Rb系统的测量误差所对应的转动稳定性控制在10 nHz以内。我们可以用这个系统来研究亚毫米尺度上的单极-偶极作用，寻找标准模型之外的新物理。通过一周的测量，我们可以将现有的实验测量精度提高一个量级。

在本项目中，为了开发高灵敏度和稳定性的原子磁力仪和共磁力仪，我们系统性研究了碱金属原子和核自旋原子的物理性质。这部分的研究内容包括，我们系统性研究了131Xe原子的电四极分裂的完整描述形式，以及其与磁场方向的关系；仔细研究了碱金属原子磁力仪中原子间碰撞与外界射频场共同作用对原子旋磁比的影响；开发了基于多反射腔的原子气室的标准化制备技术，并以此为基础研发了高灵敏度的全光矢量原子磁力仪。在这些工作之上，我们进一步地利用碱金属极化调制的方案将129Xe-131Xe-Rb系统中最大的一个系统误差降低两个量级以上，并以此为基础完成了在亚毫米尺度上与中子自旋相关的单极-偶极相互作用的实验测量。在作用长度为0.11 - 0.55 mm的范围内设置了新的实验上限，其对应的传播子质量范围为0.36 - 1.80 meV。相较于之前的文献结果，本实验最高的提升幅度达到30倍。以这些工作为中心，我们已发表了三篇论文，申请了两项专利，作了四次国际会议的口头报告，并先后有六位博士研究生通过本项目得到了训练和培养。我们还会在之后的工作中进一步拓展本项目中开发的新技术，并推进亚毫米尺度单极-偶极相互作用的测量精度。