罗乐教授团队利用囚禁离子实现多维度极微弱直流力的测量
开云手机登录中心,开云(中国)罗乐教授研究团队通过射频微波-自发辐射光子关联技术，通过单个囚禁离子实现了对极微弱直流力的多维度精密传感，把微弱直流力的测量扩展到仄 （10-21）牛顿范围，并实现了多个维度的矢量力传感。一篇题为“A single-atom mechano-optical transducer for sensing sub-attonewton vector DC force”的相关成果于12月22日在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上在线发表。开云手机登录中心,开云(中国)刘泱特聘副研究员、研究生陆鹏飞为并列第一作者，罗乐教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划等的支持。
随着经典手段对力、加速度、转动速度等经典物理学量测量的精度不断逼近极限，使用量子体系来进一步提高测量的精度和灵敏度已经成为精密测量领域的发展趋势。由于单个囚禁离子与外部的良好隔离、高保真度的量子操作，非凡的探测效率，以及其宏观尺度的相干时间，囚禁离子系统被认为是实现高灵敏、高精度测量的理想平台之一。近年来，随着离子阱实验技术的飞速发展，囚禁离子在精密测量方向展示了极大的潜力，例如基于囚禁离子的弱力传感器，对微弱力的测量灵敏度有望达到10-24牛顿，但是要达到这一灵敏度，目前的方法大都需要对所探测力进行交流调制，利用锁相放大等一系列方法来测量交流力的幅度，对未加调制的直流力进行测量，一直是该领域的一个难点。突破这一难点，将有助于把囚禁离子微弱力测量应用到微观尺度，来探测标准模型外的新奇相互作用，例如第五种力。
针对这一技术难点和其在重大科学问题研究中的前景，罗乐教授提出在囚禁离子系统中，采用“直流力耦合离子内禀运动模式，内禀运动模式耦合自发辐射光子”的创新思路，来进行微弱力的测量。近年来研究团队根据这一技术路线，在离子阱囚禁离子体系开展了相关研究工作，取得了系列成果。2021年，实现人工神经网络技术与射频微波-自发辐射光子关联技术的结合，将囚禁离子的微运动指数抑制到10-3的国际领先水平，相关论文发表在《应用物理快报》；2022年在碘分子只有微弱吸收截面的激光波段，利用饱和吸收光谱实现了171Yb+离子冷却激光的高精度频率稳定，相关论文发表在《美国光学学会期刊B》。经过一年努力，2022年刘泱、陆鹏飞等实验小组成员完善了基于射频微波-自发辐射光子关联技术的测量平台，完成了测量仄 （10-21）牛顿范围的微弱力的实验验证。
实验装置使用分段刀片电极离子阱，在电极上施加微弱电压，促使离子在外加电场下偏离鞍点，同时产生微运动。用射频微波-自发辐射光子关联技术测量微运动参数，根据微运动参数与离子位移之间一一对应的关系，反推出外加电场产生的静电力。实验方案和流程如图1所示。
图1. 基于囚禁离子微运动的力敏传感器。(a) 利用机-光转换测量微弱力的基本方案。(b) 利用机-光转换方案进行力学传感的实验流程图。(c) 离子的射频-光子关联荧光。
实验小组通过给不同电极施加不同的电压，测量其对应的微运动参数。同时，与传统的成像方法进行比对，得到的微运动参数与离子位移、外加电场力与微运动参数之间的依赖关系如图2所示。实验测量的最小电场力达到~100zN，对应的灵敏度为~600 zN Hz-1/2。通过进一步改进离子阱结构，采用质量更轻的离子，灵敏度有望提升几个数量级，达到2yN Hz-1/2。该项技术的成功实现，在科学研究和工程上都有着广泛的应用价值，例如力的显微成像，自旋-共振成像等。
图2. 通过电极3施加静电场时的静电力测量。(a) 在不同下微运动指数与离子轴向位移的校正。(b) 轴向静电力与微运动指数的依赖关系。(c) 在不同电压下微运动指数与离子轴向和径向位移、的校正。(d) 径向静电力与微运动指数的依赖关系。
论文链接：
罗乐教授简介：
https://dpcms4.sysu.edu.cn/sysuspa-prod/zh-hans/teacher/112
