新型微波激射器有望用来探寻暗物质

科技日报合肥2月25日电（记者 吴长锋）记者从中国科学技术大学获悉，该校中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授研究组及其合作者合作，首次在弗罗凯量子体系上实现微波激射器，为超高精度超低频磁场测量以及暗物质搜寻等研究提供了全新途径。研究成果日前在线发表在国际学术期刊《科学进展》。同期《科学》杂志及国际知名学术网站分别专题报道了该成果。

微波激射器是利用电磁波与原子或分子等量子系统的共振相互作用，在微波波段获得放大或振荡的量子器件。自1954年第一台微波激射器被成功实现后，已催生出若干革命性技术，诺贝尔物理学奖曾多次授予该领域。然而，目前仅在静态体系上实现过微波激射器。对于含时周期变化的体系（弗罗凯体系），之前未有任何的理论和实验报道。

为实现这一目标，科研人员克服了诸多挑战。他们采用同位素惰性气体氙气（129Xe）作为微波激射器介质，利用自旋交换碰撞方法，成功将129Xe核自旋的布居度提高5个数量级。此外，他们还设计了一套精巧的外腔反馈控制系统，消除了传统微波激射器对反转布居度的苛刻要求，扩大了微波激射器的适用范围。在此基础上，进一步利用射频磁场周期调制氙自旋体系的能级分裂，从而形成弗罗凯量子态。

经过两年多的努力，研究团队首次观测到了弗罗凯量子态之间的受激辐射，标志着在周期变化的量子体系上实现了微波激射器，并实现了迄今为止超低频段（1-100 mHz）最高的磁场测量灵敏度。

该研究建立起一座连接弗罗凯物理和微波激射器的桥梁，为精密测量研究提供全新的技术手段。《科学》杂志盛赞其“展示了全新的微波激射器”，“能够有效克服以往精密测量的低频噪声难题”，“有望应用于高精度时钟以及探测超轻暗物质”。