中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室在量子精密測量研究領域取得重要進展，該實驗室教授彭新華研究組及合作者，首次在弗羅凱量子體系上實現微波激射器，為超高精度超低頻磁場測量及暗物質搜尋等研究提供了全新的途徑。近日，相關研究成果以Floquet maser為題，在線發表在Science Advances上。同期Science“展望”欄目和學術網站Phys.org分別以A masing ladder、Extending maser techniques to Floquet systems為題，專文報道該工作。

微波激射器（maser）是利用電磁波與原子或分子等量子系統的共振相互作用，在微波波段獲得放大或振蕩的量子器件。自1954年，第一臺微波激射器被實現后，催生出若干革命性技術，如激光器、原子鐘和量子放大器。然而，盡管微波激射器的研究歷史已有60多年，但迄今只有少數的物質可實現微波激射器，僅在靜態體系上實現過。對于含時周期變化的體系（即弗羅凱體系，Floquet system），此前未有任何的理論和實驗報道。

該研究首次從理論上提出這種新型微波激射器的可行性，并在核自旋體系上實驗實現。為實現這一目標需要克服諸多挑戰：（1）通常情況下，原子核自旋的布居度只有百萬分之一，遠達不到微波激射器的閾值條件。為此，研究人員采用同位素惰性氣體氙氣（129Xe）作為微波激射器介質，利用自旋交換碰撞方法，將129Xe核自旋的布居度提高5個數量級。（2）以往微波激射器需要實現布居度的反轉，已致許多體系無法用于建造微波激射器。研究人員設計了一套精巧的外腔反饋控制系統（左圖），消除了傳統微波激射器對反轉布居度的苛刻要求，擴大了微波激射器的適用范圍。在解決上述兩個挑戰的基礎上，進一步利用射頻磁場周期調制氙自旋體系的能級分裂，從而形成弗羅凱量子態（Floquet state）（中圖）。經過兩年多的努力，研究團隊首次觀測到弗羅凱量子態之間的受激輻射，標志著在周期變化的量子體系上實現了微波激射器。這種新型微波激射器不同于以往，它呈現多個相位鎖定的多頻振蕩，它們的頻率值等于弗羅凱能級間距，該現象類似于“頻率梳”結構（右圖）。研究中，科研人員還利用該微波激射器攻克了低頻磁場噪聲難題，實現了迄今為止超低頻段（1-100 mHz）最高的磁場測量靈敏度。

研究人員將這種全新的量子器件命名為“弗羅凱微波激射器”（Floquet maser）。該研究建立起一座連接弗羅凱物理（Floquet physics）和微波激射器的橋梁，有望在廣泛的量子體系上實現微波激射器，為精密測量研究提供全新的技術手段。Science以專文報道了這一研究工作，“展示了全新的微波激射器”，“能夠有效克服以往精密測量的低頻噪聲難題”，“為實現伽馬激光提供了新可能性”，“該工作有望應用于高精度時鐘以及探測超輕暗物質”。微觀磁共振重點實驗室博士后江敏為論文第一作者，彭新華為論文通訊作者。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委員會和安徽省的資助。

左圖：弗羅凱微波激射器裝置；中圖：弗羅凱量子態和能級；右圖：弗羅凱微波激射器的頻譜