近日，北京理工大学物理学院量子技术研究中心赵清、张博研究团队与中国科学技术大学杜江峰院士、英国帝国理工学院Mark Oxborrow教授以及德国美因茨大学Dmitry Budker教授等团队合作，在基于室温固态微波激射技术的量子传感研究中取得重要进展。相关成果以“Enhanced quantum sensing with room-temperature solid-state masers”为题，在《Science Advances》上发表（DOI: 10.1126/sciadv.ade1613）。研究人员在国际上首次将室温固态微波激射技术应用于量子传感领域，并实现了具有超高灵敏度的近零场磁力仪，展示了微波激射技术在提高固态系综自旋量子传感器灵敏度的巨大潜力。该工作第一作者为北京理工大学物理学院量子技术研究中心“特立”博士后吴昊和硕士研究生杨硕，通讯作者为张博。

基于固态自旋体系的量子传感在材料科学、生物医学、基础物理学等多个领域都有广泛的应用。固态自旋体系由于其能够工作于室温大气环境和高灵敏度等优点，已经成为越来越受欢迎的超灵敏量子传感平台。量子传感器的探测灵敏度可以通过增加非相互作用的自旋数量进一步提高，因此，固态系综自旋量子传感器发展迅速。但是，固态系综自旋量子传感器在追求理论极限灵敏度的道路上仍然受制于非均匀展宽和低读出效率。

为了消除上述限制因素的影响，研究人员提出将室温固态微波激射技术同量子传感相结合，从而提高灵敏度，原理如图1A和B所示。研究人员首先通过理论计算，证实了对于具有非均匀展宽的系综体系，微波激射的阈值效应以及信号放大作用可以使固态自旋系综的电子顺磁共振谱线变窄、信号幅度提升（图1C和D），为提升基于谱线斜率探测手段的量子传感技术灵敏度提供了条件。

图1. 微波激射增强的量子传感概念和模拟结果。

研究人员利用上述效应，搭建了基于室温微波激射的并五苯固态自旋系综磁力仪，通过微波激射频率等参数优化（图2），实现了的测磁灵敏度，为开发高灵敏度近零场固态自旋系综磁力仪开辟了崭新的技术路径，拓展出更多的应用场景，如暗物质探测等。

图2. 并五苯自旋系综磁力仪性能测试。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京理工大学青年学者研究基金项目、英国工程和物理科学研究委员会以及中国博士后科学基金的支持。

文章信息：H. Wu†, S. Yang†, M. Oxborrow, M. Jiang, Q. Zhao, D. Budker, B. Zhang*, J. Du, Enhanced quantum sensing with room-temperature solid-state masers. Sci. Adv. 8, eade1613 (2022).（†为共同一作，*为通讯作者）

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade1613

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