Optically pumped vector magnetometer using a strong bias magnetic field
本研究提出一种基于强偏置磁场的光泵矢量磁强计新方法，利用光窄化效应抑制自旋交换弛豫，实现地球磁场环境下无屏蔽的高灵敏度矢量磁场测量。
2024-08-19 physics.atom-ph physics.geo-ph physics.ins-det
Subpicotesla Scalar Atomic Magnetometer with a Microfabricated Cell
我们展示了一个标量原子磁力计使用微制造的铯蒸气细胞。原子的自旋进动是由一个振幅调制的圆偏振泵浦激光共振在Cs原子的D1跃迁和检测的非共振线偏振探测激光使用平衡偏振仪设置。在幅度在地球磁场范围内的磁场下，梯度计模式下的磁力计可以达到低于150 fT/rt-Hz的灵敏度，这表明磁力计本身可以实现低于100 fT/rt-Hz的灵敏度。除了其高灵敏度外，由于小蒸汽室内部的宽磁共振，磁力计具有接近1 kHz的带宽。我们的实验表明，一个便携式，低功耗和高性能的磁强计，可以在地球的磁场工作的可行性。这种装置将大大减少对操作环境的限制，扩大原子磁力仪的应用范围，如在低磁场中检测核磁共振（NMR）。
2019-10-04 physics.app-ph physics.atom-ph
Integrated optically pumped magnetometer for measurements within Earth's magnetic field
我们提出了一种便携式光泵磁强计仪器的超灵敏测量地球的磁场。该系统的中心部分是一个传感器头操作的MEMS为基础的Cs蒸气细胞在光移分散Mz模式。它通过柔性电缆连接到紧凑的电池驱动电子模块。我们简要回顾了该设备的工作原理，并详细介绍了传感器头和电子器件的实现。我们示出了在50 μ T的静态磁场振幅内的屏蔽和非屏蔽测量，展示了传感器系统的噪声水平下降到140 fT/ \sqrt{Hz}和几个100 Hz的传感器带宽。在传感器噪声的详细分析中，我们揭示了该系统受到技术来源的限制，并采用简单的策略进一步改善其基本噪声限值12 fT/ \sqrt{Hz}。我们评估的参数定义的传感器带宽的理论建模的基础上布洛赫方程。最后，我们比较了我们的传感器的性能，一个商业SQUID系统的测量环境中典型的地磁观测实践和地磁勘探。
2021-10-01 physics.atom-ph physics.ins-det
All-Optical Spin Locking in Alkali-Vapor Magnetometers
在地球物理磁场范围内，非线性塞曼效应会引起磁共振谱线的分裂和不对称。我们提出了一种基于自旋锁定的全光学抑制非线性塞曼效应的方案。自旋锁定是通过强度调制和偏振调制的激光束的交流斯塔克位移提供的有效振荡磁场来实现的。这导致在地球场范围内具有约100 Hz宽度的多分量非对称磁共振线塌陷成具有25 Hz中心分量宽度的峰值。预计该技术将广泛适用于实际磁力测量，通过增加磁共振振幅和减小其宽度，有可能提高地球测量磁力计的灵敏度和准确度。全光学方法的优点是，当这些传感器用于梯度测量或阵列布置时，附近的传感器之间没有串扰。
2018-09-28 physics.atom-ph
Search for plant biomagnetism with a sensitive atomic magnetometer
我们报告了我们认为是第一个实验限制植物生物磁性。用灵敏的原子磁力计对泰坦魔芋（Amorphophallus titanum）的花序进行了测量，泰坦魔芋开花时以其快速的生物化学过程而闻名。我们发现，从这些过程的表面磁场，沿地球的磁场投影，并在工厂的表面测量，小于~ 0.6 μ G。
2011-08-16 physics.atom-ph physics.bio-ph physics.pop-ph
A Remotely Interrogated All-Optical $^{87}$Rb Magnetometer
原子磁力测量是在地球的磁场中进行的，距离为10米。两束激光对准一个遥远的碱蒸气室，激发并探测到$^{87}$ Rb磁共振，从而可以远程询问细胞内的磁场。磁力计作为驱动振荡器运行，在$\sim$ 2\，s数据采集中以\lessgtrsim{\lesssim} 3.5\，pT精度测量地磁场;该精度可能受到环境场波动的限制。该传感器还在自振荡模式下工作，具有5.3pT/ $\sqrt{\textrm{Hz}}$噪声基底。进一步的优化将产生一个高带宽，完全远程磁强计与sub-pT的灵敏度。
2012-08-06 physics.atom-ph quant-ph
Heading-error-free optical atomic magnetometry in the Earth-field range
本文提出一种基于准直的铷-87原子磁力仪，利用单一磁共振峰和分离的超精细跃迁消除地磁场下的非线性塞曼航向误差，室温灵敏度达9 fT/√Hz。
2022-04-11 physics.atom-ph
Single-beam room-temperature atomic magnetometer with large bandwidth and dynamic range
本文介绍了一种在室温下测量交流磁场的单束原子磁力计。磁强计在$^{85}$ Rb原子蒸气的磁光旋转的非线性区域中起作用。我们证明了$\sim 0.9$ pT $/ \sqrt{Hz}$在2 kHz和24 kHz的大带宽下的灵敏度。测量的动态范围为$10^6$，使传感器即使在地球磁场中也有效。我们提出了屏蔽和非屏蔽操作模式的系统的信噪比和带宽特性。此外，我们还对单光束结构的原子-光系统进行了理论分析。从理论和实验上研究了光强和失谐对磁强计的影响，以了解该技术的优势和局限性。
2022-09-09 physics.atom-ph physics.ins-det physics.optics
Nuclear spin gyroscope based on an atomic co-magnetometer
我们描述了一种基于碱金属-稀有气体共磁强计的核自旋陀螺仪。光学泵浦的碱金属蒸气被用来激发惰性气体原子并检测它们的陀螺旋进。由于磁场以及它们的梯度和瞬态的自旋旋进可以在这种布置中被消除。通过在自旋交换弛豫自由（SERF）制度中使用高密度碱金属蒸气来增强灵敏度。用K-3 He共磁强计，我们证明旋转灵敏度为5 × 10^（-7）rad/sec/Hz^（1/2）。由于21 Ne的磁矩较小，使用21 Ne可以将旋转信号增加10倍，并且对于具有10 cm ^3测量体积的21 Ne陀螺仪，基本旋转灵敏度极限约为2 × 10^（-10）rad/sec/Hz^（1/2）。
2005-05-12 physics.atom-ph physics.ins-det
Sensitive optical atomic magnetometer based on nonlinear magneto-optical rotation
为了实现磁异常的航空探测，研制了一种基于非线性磁光旋转的87 Rb调幅泵浦光和未调制探测光（AM-NMOR）自振荡磁力仪。在AM-NMOR中，通过泵浦光束的振幅调制的频闪光学泵浦产生铷原子的基态电子态的对准。拉莫尔旋进导致单独的探测光束的偏振的交流旋转;偏振旋转频率提供了磁场的测量。原子蒸气室壁上的抗弛豫涂层导致对准的56 ms的长寿命，这使得能够精确测量进动频率。光通过保偏光纤传送到磁力计。灵敏度测试包括直接测量磁力计和商用仪器之间的拍频，以及在磁静条件下测量地球磁场，表明灵敏度至少为5 pT/ \sqrt{Hz}。旋转传感器指示小于1 nT的航向误差，其部分受到传感器的剩磁的限制。
2010-03-07 physics.atom-ph physics.ins-det
Response of atomic spin-based sensors to magnetic and nonmagnetic perturbations
伪磁自旋耦合的检测需要实现能够灵敏地检测这种相互作用的技术。虽然自旋交换弛豫自由（SERF）磁力测量是最强大的方法之一，使搜索，它遭受了强磁耦合，恶化的伪磁耦合灵敏度。为了解决这个问题，在这里，我们比较，通过数值模拟，SERF磁强计和贵气碱金属共磁强计的性能，在所谓的自补偿制度。我们证明，共同磁强计允许降低对低频磁场的灵敏度，而不损失对磁耦合的灵敏度。在此基础上，我们研究了这两个系统对振荡和瞬态自旋扰动的响应。我们的模拟揭示了约5个数量级的强响应的中子伪磁耦合和约3个数量级的强响应的质子伪磁耦合的共同磁强计比那些SERF磁强计。共磁强计对磁扰动和磁扰动的不同频率响应使得能够区分这两种类型的相互作用。这概述了将共磁力计实现为用于奇异物理学搜索的光学磁力计全球网络（GNOME）的高级传感器的能力，旨在检测超轻玻色子（例如，类轴子粒子）。
2022-01-13 physics.atom-ph physics.ins-det
Field validation of GNSS-independent positioning enhancement using a wearable ultra-stable quantum magnetometer
University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）；University of Glasgow（格拉斯哥大学）；Kelvin Nanotechnology（凯文纳米技术）；Quantrologee
通过可穿戴量子磁力计测量地磁异常，结合航位推算，实现500米以上路径径向定位误差2.24米，验证了GNSS独立定位增强的可行性。
2026-06-24 physics.atom-ph
Phase projection errors in rf-driven optically pumped magnetometers
Institute of Physics Belgrade, University of Belgrade（贝尔格莱德物理研究所，贝尔格莱德大学）；Physics Department, University of Fribourg（弗里堡大学物理系）；Leibniz Institute of Photonic Technology（莱布尼茨光子技术研究所）
本研究分析了射频驱动光学泵磁强计中射频激励场与光功率调制之间的相位关系，揭示了$M_x$磁强计在响应时间和准确性方面的限制，特别是在使用主动电子反馈时。
2026-01-21 physics.atom-ph physics.ins-det
Real-time polarimetry of hyperpolarized $^{13}$C nuclear spins using an atomic magnetometer
提出一种利用高灵敏度$^{87}$Rb蒸气磁力仪非破坏性量化核自旋极化的方法，通过加窗动态退耦脉冲序列延长寿命并调制极化，实现对超极化[1--$^{13}$C]-丙酮酸溶液的实时质量监测。
2023-09-12 physics.atom-ph physics.chem-ph
Production and detection of atomic hexadecapole at Earth's magnetic field
原子态的各向异性由塞曼子能级间的布居数差异和相干性表征。它可以通过与光的共振相互作用有效地产生和探测，这种技术是现代原子钟和磁力计的核心。近年来，非线性磁光技术的发展使得碱金属原子的基态具有更高的极化矩，即十六极和六十四极。将这些技术推广到地磁场范围对实际应用具有重要意义。这是因为对应于$ΔM=4$塞曼相干性的十六极极化对非线性塞曼效应（NLZ）不敏感，其中对于电子角动量$J=1/2$和核自旋$I=3/2$具有最大可能的$ΔM$。这是特别感兴趣的，因为NLZ通常导致原子磁力计中的共振分裂和系统误差。然而，由于十六极矩的光信号作为磁场的函数急剧下降。我们报告了一种新的方法，允许选择性地创建一个宏观的长寿命的基态十六极极化。十六极信号对NLZ的免疫性用F=2的$^{87}$ Rb原子在地球场证明。
2007-10-19 physics.atom-ph
Triaxial Alignment Magnetometer Utilizing Free-Spin Precession in the Geomagnetic Range
该研究提出基于自由自旋进动的三轴取向磁力计，利用线偏振探测光与脉冲射频场在室温铷气室中实现近地磁场矢量测量，结构简单且三轴噪声分别达5.3、4.7和9.3 pT/√Hz。
2025-02-17 physics.app-ph physics.atom-ph
Suppression of Spin-Exchange Relaxation Using Pulsed Parametric Resonance
我们表明，自旋交换退相的拉莫尔进动在近地尺度的字段被有效地消除了敷料的碱金属原子自旋在AC耦合的2 π脉冲序列，在拉莫尔进动频率重复。自旋交换碰撞的光谱线宽度的贡献减少了脉冲的占空比的一个因素。我们的实验表明，共振横向泵浦磁场高达0.1高斯，目前的实验测量的抑制自旋交换弛豫，并显示增强的磁强计响应相对于光窄标量磁强计。
2013-04-12 physics.atom-ph
Heading errors in all-optical alkali-vapor magnetometers in geomagnetic fields
碱金属原子磁力计在地磁场中遭受航向误差，因为所测量的磁场取决于传感器相对于磁场的取向。除了非线性塞曼分裂之外，两个超精细基态中的塞曼共振之间的差异也可以产生取决于初始自旋极化的航向误差。我们研究的全光标量磁强计，使用极化$^{87}\text{Rb}$原子的自由进动的航向误差通过改变方向和大小的磁场在不同的自旋极化制度。在高极化极限下，较低的超精细基态$F = 1$几乎是人口稀少，我们表明，航向误差可以用解析表达式进行校正，减少了两个数量级的错误，在地球的领域。我们还验证了测量的塞曼进动频率与磁场的线性关系。在较低的自旋极化下，我们发现两个超精细态的塞曼共振分裂导致了进动信号的拍频和所测量的进动频率与磁场的非线性。我们使用独特的探针几何形状，其中两个正交的探针光束测量自旋进动过程中的两个超精细状态之间的相对相位相反的频率偏移进行校正。
2021-03-01 physics.atom-ph quant-ph
Prospecting for lunar Helium-3 with a radio-frequency atomic magnetometer
本文提出利用射频原子磁力仪探测热极化氦-3自旋的偶极磁场，实现对月球风化层中低至5 ppb丰度氦-3的快速、低成本勘探。
2025-06-17 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
Applying the matched-filter technique to the search for dark matter transients with networks of quantum sensors
现有的精密量子传感器网络包括原子钟、磁力计和引力波探测器网络。这些网络可以被重新用于奇异物理的搜索，比如直接搜索暗物质。在这里，我们探讨了宏观暗物质对象与这样的网络使用匹配滤波器技术的检测策略。这种“团簇状”暗物质物体将被记录为以银河系速度扫过网络的瞬变。作为一个具体的例子，我们考虑全球定位系统（GPS）卫星上的原子钟网络。我们将匹配滤波技术应用于模拟GPS原子钟数据，并研究其实用性和性能。分析和开发的方法具有广泛的适用性，其他网络的量子传感器。
2019-10-30 astro-ph.IM physics.atom-ph
Portable Single-Beam Atomic Total-Field Magnetometer for Stand-off Magnetic Sensing
OAQ Co. Ltd.（OAQ有限公司）；Department of Physics, Korea Advanced Institute of Science and Technology（韩国科学技术院物理系）；Graduate School of Data Science, Pusan National University（釜山国立大学数据科学研究生院）
本文报道一种手持式单光束标量铷原子磁力计，采用全光学Bell-Bloom配置和数字锁定跟踪，在无屏蔽地磁场中实现约21 pT/√Hz灵敏度，并成功检测10米距离内的电梯运动磁信号。
2026-06-12 physics.app-ph physics.atom-ph
Intrinsic Pulsed Magnetic Gradiometer in Earth's Field
我们描述了一种新的脉冲磁梯度仪的基础上产生的两个空间分离的碱蒸汽细胞的边带的光学干涉。利用探测光与$^{87}$ Rb原子在磁敏超精细基态相干叠加相互作用中的参量频率转换，高效率地产生了边带.边带之间的干扰产生低频拍音，其频率由两个蒸汽室之间的磁场梯度确定。与传统的磁梯度仪相比，我们的方法提供了一个直接读出的梯度场，没有减去两个空间分离的磁力计的输出的中间步骤。该技术有望在远大于梯度仪带宽的频率下提供有效的共模磁场消除。使用这种技术，我们开发了一种紧凑的磁梯度仪传感器头与集成光学器件的灵敏度为$25 \ fT/cm/\sqrt{Hz}$与$4.4$厘米基线，同时在嘈杂的实验室环境中操作，从地球的领域未屏蔽。我们还概述了一个理论框架，准确地模拟边带生成使用密度矩阵形式主义。
2021-11-24 physics.atom-ph
Parahydrogen enhanced zero-field nuclear magnetic resonance
通常在多特斯拉磁场中检测的核磁共振（NMR）是确定分子身份、结构和功能的强大分析工具。随着预极化方法的出现和使用原子磁力计或超导量子干涉器件（SQUID）的替代检测方案的出现，在非常低（~地球场）甚至零场的NMR最近引起了相当大的关注。尽管使用SQUID或原子磁力计，但与常规高场NMR相比，低场NMR通常具有低灵敏度。在这里，我们演示了通过仲氢诱导极化（PHIP）产生的零场NMR信号的直接检测，使高分辨率NMR无需使用任何磁体。该灵敏度足以在单个瞬态中观察到在具有天然丰度的13 C的化合物中表现出13 C-1H J-偶联的光谱。由此产生的光谱显示具有直接解释的独特特征，并可用于化学指纹。
2011-02-26 physics.atom-ph physics.chem-ph
Transient Dynamics and Duty-Cycle Optimization in a Pulse-Wwidth Modulation Bell--Bloom Pumping
School of Physics, Hefei University of Technology（合肥工业大学物理学院）；Key Laboratory of Opto-Electronic Information Acquisition and Manipulation (Anhui University), Ministry of Education（教育部光电信息获取与控制重点实验室（安徽大学））
本研究针对PWM Bell-Bloom原子磁力计，建立布洛赫方程模型描述自旋动力学，校准弛豫率并验证模型，发现最大化信号振幅未必优化灵敏度，为该类磁力计的参数优化提供实用框架。
2026-09-30 physics.app-ph physics.atom-ph physics.optics
Quantum Locking of Intrinsic Spin Squeezed State in Earth-field-range Magnetometry
针对地磁场范围中非线性 Zeeman 效应导致内禀自旋压缩态振荡、难以观测和传感的问题，提出量子锁定技术以形成持久 SSS，从而量子增强磁力仪灵敏度。
2024-10-29 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Anthropic constraint on transient variations of fundamental constants
本研究基于人择原理，通过分析宏观暗物质团块穿过地球引发精细结构常数瞬态极端变化会使地球不宜居的机制，将暗物质模型耦合的天体物理约束提升了数个数量级。
2023-06-09 astro-ph.CO hep-ph physics.atom-ph
Two-body transients in coupled atomic-molecular BECs
本文讨论了原子玻色-爱因斯坦凝聚体的动力学，当原子对通过单色光缔合转化为分子时。三个主要制度被发现，它表明，它们可以被理解的基础上的时间依赖的两体理论。特别是，所谓的流氓解离制度[物理学评论快报，88，090403（2002）]，其对光缔合速率具有依赖于密度的限制，被鉴定为具有表现出普遍性质的双原子动力学的瞬态状态。最后，我们说明了这些制度可以探索碱土原子的光缔合缩合物。
2008-03-05 physics.atom-ph
Measurement of the g factor of ground-state 87Sr at the parts-per-million level using co-trapped ultracold atoms
利用共陷俘超冷87Rb原子的方案，将基态超冷87Sr核g因子的测量精度提升至百万分之几水平，确立了其作为优异真空内磁强计的地位，并适用于量子模拟、计算和光原子钟等领域。
2025-11-03 physics.atom-ph quant-ph
Precision measurement noise asymmetry and its annual modulation as a dark matter signature
暗物质可能由自相互作用的超轻量子场组成，这些场形成宏观物体。其中一个例子包括Q球，紧凑的非拓扑孤子预测的一系列理论是可行的暗物质候选人。当地球在银河系中移动时，与这些物体的相互作用可能会在地面实验中留下短暂的扰动。在这里，我们提出了一种新的暗物质特征：不对称性（和其他非高斯性），从而可能在精密量子传感器（例如原子钟、磁力计和干涉仪）的噪声分布中引起。此外，我们还证明，由于地球速度相对于暗物质晕的年度变化，这些签名将有相当大的年度调制。作为我们的形式主义的一个例子，我们将我们的方法应用于来自GPS卫星上的原子钟的6年数据，并对半径R < 10^4 km的宏观暗物质对象的耦合施加限制，该区域是使用相对稀疏的全球网络无法访问的。
2021-03-02 astro-ph.CO physics.atom-ph
An atomic compass -- detecting 3D magnetic field alignment with vector vortex light
我们描述并演示了如何三维磁场对齐可以推断从单吸收图像的原子云。虽然光泵磁力计通常依赖于原子偶极子的拉莫尔进动的时间测量，但在这里，冷原子蒸气提供了矢量光和外部磁场之间的空间界面。使用矢量涡旋光束，我们在冷铷原子云中刻下结构化的原子自旋极化，并记录由此产生的吸收模式的图像。利用空间傅里叶分析可以推导出外磁场的极角。这种效应提出了一种用于检测磁矢量场的替代概念，并更一般地演示了如何在原子能级之间引入空间相位可以将瞬态效应转化为空间域。
2021-07-22 physics.atom-ph physics.optics
Search for transient ultralight dark matter signatures with networks of precision measurement devices using a Bayesian statistics method
我们分析了采用分布式全球精密测量设备网络作为暗物质和奇异物理观测站的前景。特别是，我们认为全球定位系统（GPS）的原子钟，包括一个星座的32个中地球轨道卫星配备了铯或铷微波钟和一些地球上的接收站，其中一些采用高稳定的氢脉泽原子钟。近二十年来，高精度定时数据一直可用。通过分析卫星和地面原子钟数据，有可能搜索奇异物理学的瞬态特征，如“云团”暗物质和暗能量，有效地将GPS星座转化为50，000公里孔径传感器阵列。本文描述了GPS卫星原子钟的噪声特征，描述了基于贝叶斯统计的搜索方法，并使用模拟时钟数据对该方法进行了测试。我们提出了使用我们的方法预测的发现范围，并证明了它可以超过现有的限制，对于某些模型的几个数量级。该方法不仅适用于GPS或原子钟网络，也可应用于其它精密测量设备网络。
2018-03-27 astro-ph.CO astro-ph.IM physics.atom-ph
Laser remote magnetometry using mesospheric sodium
我们已经展示了一个基于地球中间层钠原子的远程磁力计，距离我们的仪器106公里。一个1.33瓦的激光照射原子，磁场是从一个直径为1.55米的望远镜收集的反向散射光推断出来的。测量灵敏度为162 nT/ $\sqrt{Hz}$。从我们的测量中推断出的磁场值与基于地球已知磁场形状的估计值一致，误差在百分之一以内。预计光学系统的改进可能导致20 nT/ $\sqrt{Hz}$的灵敏度，而使用先进的激光器或大型望远镜可能接近1-nT/ $\sqrt{Hz}$的灵敏度。所有实验和理论灵敏度值均基于激光束轴和磁场矢量之间的60 ° $^\circ$角;在最佳90 ° $^\circ$角下，灵敏度将提高约两倍。
2017-02-15 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.atom-ph
