L'Université des sciences et technologies de Chine réalise un comagnétomètre à atomes froids

Récemment, l'Université des sciences et technologies de Chine, en collaboration avec Lu Zhengtian, Xia Tian et leurs collègues du Laboratoire national de Hefei, a réalisé un comagnétomètre à atomes froids grâce à des méthodes de contrôle optique quantique. L'équipe de recherche a piégé simultanément deux isotopes d'atomes d'ytterbium dans le même piège optique et a mesuré en synchronisation leur précession de spin, obtenant un facteur de suppression du bruit de champ magnétique supérieur à 30 000 fois. Ce résultat établit une plateforme de détection de spin avec une résolution spatiale à l'échelle micrométrique, offrant une nouvelle voie pour l'étude des interactions à courte portée liées au spin. La recherche associée, intitulée « Cold-atom comagnetometry via optical control of spin states », a été publiée le 17 août dans Nature Photonics.

Les capteurs de spin atomique sont largement utilisés dans la mesure de précision et la science de l'information quantique. Un comagnétomètre mesure simultanément et au même endroit deux systèmes de spin ayant des rapports gyromagnétiques différents, compare leurs fréquences de précession de spin, élimine les effets de fluctuation du mode commun du champ magnétique, tout en conservant une réponse sensible aux déplacements de niveaux d'énergie de spin induits par des interactions non magnétiques. Les comagnétomètres à cellule de gaz traditionnels ont joué un rôle important dans des domaines tels que les tests de physique fondamentale, mais leur échelle spatiale est limitée par la taille de la cellule et l'épaisseur des parois. En revanche, les atomes froids peuvent être piégés par laser dans des régions à l'échelle micrométrique, offrant une résolution spatiale extrêmement élevée.

Figure 1. Schéma du comagnétomètre à atomes froids d'ytterbium et signaux de précession de spin des deux isotopes

Dans ce travail, l'équipe de recherche a piégé simultanément deux isotopes, le 171Yb (spin 1/2) et le 173Yb (spin 5/2), dans un réseau optique unidimensionnel, construisant un comagnétomètre à atomes froids basé sur des spins nucléaires purs. Le défi clé pour réaliser une longue cohérence de spin dans un système d'atomes froids est de supprimer les effets de décohérence induits par le déplacement de fréquence optique dans le réseau optique. Pour le 171Yb, sa structure de spin 1/2 le rend naturellement insensible au déplacement de fréquence optique tensoriel ; pour le 173Yb à spin élevé, l'équipe a utilisé l'état chat de spin de Schrödinger pour rendre sa fréquence de précession insensible au déplacement de fréquence optique tensoriel. L'équipe avait déjà utilisé cette méthode pour résoudre le problème de décohérence par déplacement de fréquence optique tensoriel dans les systèmes à spin élevé [Nat. Photon. 19, 89 (2025)].

Dans ce travail, l'équipe de recherche a en outre découvert un effet systématique produit par le couplage entre le déplacement de fréquence optique tensoriel résiduel et l'effet Zeeman, l'a expliqué à l'aide de la théorie des perturbations au second ordre, et a réalisé sa correction expérimentalement. En combinant le contrôle des déplacements de fréquence optique vectoriel et tensoriel, l'équipe a mené une interférométrie de Ramsey synchrone à double isotope, réalisant un temps de cohérence de spin allant jusqu'à 60 secondes et obtenant un facteur de suppression du bruit magnétique supérieur à 3×10⁴, tout en déterminant avec précision le rapport des moments magnétiques nucléaires du 171Yb et du 173Yb. Le comagnétomètre à atomes froids est une toute nouvelle plateforme de détection de spin, ouvrant de nouvelles voies pour la mesure de précision améliorée par le quantique et la recherche de nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Figure 2. Les doctorants Zhang Jielin et Luo Weitao opèrent le dispositif expérimental

Les doctorants Zhang Jielin et Luo Weitao du Centre national de recherche en sciences de la matière à l'échelle micro de Hefei sont les premiers co-auteurs de l'article, et le professeur Lu Zhengtian de l'École de physique de l'USTC et le chercheur Xia Tian du Laboratoire national de Hefei sont les co-auteurs correspondants. Ce travail a été financé par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le ministère des Sciences et Technologies et l'Académie chinoise des sciences.