近日，物理學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)在懸浮介觀(guān)納米顆粒增強(qiáng)重力傳感方面取得積極進(jìn)展。該研究創(chuàng)新性地結(jié)合自旋糾纏態(tài)與空間疊加態(tài)，在提高重力測(cè)量靈敏度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。相關(guān)成果有望在基礎(chǔ)科學(xué)、資源勘探和慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域帶來(lái)重要應(yīng)用。

重力測(cè)量在資源勘探、潮汐測(cè)量、極地運(yùn)動(dòng)、大地測(cè)量與地球物理等重要領(lǐng)域，如圖（a）所示，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。從自由落體塊狀角錐棱鏡到自由落體一團(tuán)原子，重力干涉測(cè)量已經(jīng)從激光的干涉轉(zhuǎn)變到物質(zhì)波的干涉，其靈敏度已提升至微伽量級(jí)(1μGal=10^(-8)m/s2)，具有超過(guò)經(jīng)典重力儀的靈敏度。然而，現(xiàn)有原子重力儀的典型尺寸在米級(jí)，設(shè)備的小型化以靈敏度的犧牲為代價(jià)。如何在保持甚至提高靈敏度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)儀器的小型化，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

在該研究中，科研團(tuán)隊(duì)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(shí)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(zhì)量，同時(shí)單個(gè)納米顆粒可包含大量的色心自旋，因此利用其大質(zhì)量與多自旋可有效減少干涉尺寸并增加傳感信號(hào)。研究團(tuán)隊(duì)新提出的重力測(cè)量協(xié)議包含以下五個(gè)步驟：動(dòng)量劈裂、自由落體、動(dòng)量反劈裂、再次自由落體和動(dòng)量合并。通過(guò)自由落體將重力加速度引入振動(dòng)態(tài)，產(chǎn)生與時(shí)間平方成正比的相位積累，從而超越早期線(xiàn)性累積方式，僅含一個(gè)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(dá)到約18μGal/Hz^(-1/2)的靈敏度。并且，當(dāng)使用含有100個(gè)N-V色心的納米金剛石時(shí)，借助聲子媒介的單軸扭曲（OAT）動(dòng)力學(xué)對(duì)初始自旋態(tài)進(jìn)行自旋壓縮，靈敏度可突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，實(shí)現(xiàn)N^(-5/6)的標(biāo)度律，靈敏度進(jìn)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(guò)自旋測(cè)量獲取，避免了對(duì)運(yùn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行空間分辨探測(cè)的困難。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，研究方案表現(xiàn)出良好的魯棒性與實(shí)用性，在這其中退相干和控制誤差因素對(duì)協(xié)議性能的影響可以忽略不計(jì)或者可以被有效補(bǔ)償。該研究為量子增強(qiáng)型重力測(cè)量提供了全新途徑，通過(guò)將N-V色心的自旋糾纏態(tài)與納米金剛石的空間疊加態(tài)相結(jié)合，推動(dòng)小型化、高靈敏度重力儀的研制與應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以“Enhanced Gravity Sensing by a Levitated Mesoscopic Nanoparticle”為題發(fā)表在物理類(lèi)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》上。其中，物理學(xué)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(xué)物理學(xué)院為論文第一單位。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、河南省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1103/z8b4-sm79

圖（a）重力測(cè)量在不同精度下的應(yīng)用（ESA medialab, ESA communication production SP-1314）；（b）利用離子阱囚禁單個(gè)納米金剛石顆粒構(gòu)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(tǒng)方案縮小約5個(gè)量級(jí)