鄭州大學物理學院在懸浮介觀納米顆粒增強重力傳感方面取得積極進展

　　【儀表網 研發快訊】 近日，物理學院陳剛教授團隊在懸浮介觀納米顆粒增強重力傳感方面取得積極進展。該研究創新性地結合自旋糾纏態與空間疊加態，在提高重力測量靈敏度的同時實現設備的小型化。相關成果有望在基礎科學、資源勘探和慣性導航等領域帶來重要應用。
 

　　重力測量在資源勘探、潮汐測量、極地運動、大地測量與地球物理等重要領域，如圖(a)所示，具有重要的應用價值。從自由落體塊狀角錐棱鏡到自由落體一團原子，重力干涉測量已經從激光的干涉轉變到物質波的干涉，其靈敏度已提升至微伽量級(1μGal=10^(-8)m/s²)，具有超過經典重力儀的靈敏度。然而，現有原子重力儀的典型尺寸在米級，設備的小型化以靈敏度的犧牲為代價。如何在保持甚至提高靈敏度的同時實現儀器的小型化，是當前研究的熱點與難點。
 

　　在該研究中，科研團隊提出了一種基于離子阱懸浮納米金剛石的重力傳感方案，在減小干涉儀尺寸的同時提高傳感靈敏度。含有氮空位(N-V)色心的納米金剛石顆粒相比原子具有巨大的質量，同時單個納米顆粒可包含大量的色心自旋，因此利用其大質量與多自旋可有效減少干涉尺寸并增加傳感信號。研究團隊新提出的重力測量協議包含以下五個步驟：動量劈裂、自由落體、動量反劈裂、再次自由落體和動量合并。通過自由落體將重力加速度引入振動態，產生與時間平方成正比的相位積累，從而超越早期線性累積方式，僅含一個N-V色心的納米金剛石在20微米的自由落體距離下便可達到約18μGal/Hz^(-1/2)的靈敏度。并且，當使用含有100個N-V色心的納米金剛石時，借助聲子媒介的單軸扭曲(OAT)動力學對初始自旋態進行自旋壓縮，靈敏度可突破標準量子極限，實現N^(-5/6)的標度律，靈敏度進一步提升至0.4μGal/Hz^(-1/2)以上。
 

　　此外，在該研究方案中，相位信息通過自旋測量獲取，避免了對運動態進行空間分辨探測的困難。在現有實驗條件下，研究方案表現出良好的魯棒性與實用性，在這其中退相干和控制誤差因素對協議性能的影響可以忽略不計或者可以被有效補償。該研究為量子增強型重力測量提供了全新途徑，通過將N-V色心的自旋糾纏態與納米金剛石的空間疊加態相結合，推動小型化、高靈敏度重力儀的研制與應用。
 

　　相關研究成果以“Enhanced Gravity Sensing by a Levitated Mesoscopic Nanoparticle”為題發表在物理類頂級期刊《Physical Review Letters》上。其中，物理學院博士研究生王綠云為論文第一作者，崔凱楓副研究員、閆磊磊研究員和陳剛教授為共同通訊作者，鄭州大學物理學院為論文第一單位。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、河南省自然科學基金等項目的支持。
 

　　圖(a)重力測量在不同精度下的應用(ESA medialab, ESA communication production SP-1314)；(b)利用離子阱囚禁單個納米金剛石顆粒構建重力儀的方案；(c)重力傳感靈敏度：相同傳感精度下，該方案的干涉尺寸比傳統方案縮小約5個量級