江蘇鐳射聯盟導讀：

據悉，一支由中國科學院多家機構和德國亥姆霍茲聯合會、約翰內斯·古騰堡大學組成的研究人員團隊研究了將maser技術擴充套件到Floquet系統的可能性。該研究成果2021年2月17日發表在Science Advances雜誌上，該研究團隊描述了他們透過放大Floquet系統中的射頻來建立新型maser的方法。

微波激射器(maser)已經變得無處不在，併產生了從鐳射器、原子鐘、超靈敏磁共振波譜，低噪聲放大器到深空通訊方面的創新。由於激射器產生的無線電波的頻率非常穩定，因此這些裝置能夠非常靈敏地測量由於與外部電磁場的相互作用而引起的頻率偏移。這為開發應用物理學和基礎物理學中的精密計量學提供了令人興奮的可能性，例如磁力計、溫度感測器、洛倫茲測試和荷電奇偶時反對稱性違反以及搜尋拓撲暗物質。

微波激射器已在多種系統中得到證明，例如氨分子、氫原子、稀有氣體、並五苯分子以及矽和氮空位缺陷材料。然而，在週期性驅動的（Floquet）系統中，激射器的演示尚未得到探索，限制了在感測、光譜學和基礎物理學中的廣泛應用。脈寬調製器推廣到週期性驅動系統將為許多新應用鋪平道路，例如超低頻磁場感應和搜尋振盪電偶極矩(EDMs)。

為了達到上述目標，應考慮適當的週期性驅動的微波激射器(maser)增益介質。最近發展起來的Floquet系統的概念，僅在離散時間平移一個週期內是不變的，已經催生了有趣的前景，例如時間晶體和Floquet拓撲絕緣體。透過週期性驅動已經實現了多種Floquet系統，範圍從週期性驅動的捕獲離子和原子團簇到氮空位中心。為了開發週期性驅動的激射器，Floquet系統應該是一個出色的候選者。我們注意到，maser技術和Floquet系統的結合可以克服退相干效應，因此可以重新審視許多現象。例如，使用Floquet系統成功實現maser可能會為觀察遠距離時間動力學和具有亞毫赫茲解析度的光譜學提供新的機會，這對於量子計量具有重要意義，例如在尋找演化的鐳射干涉儀空間天線(evolved Laser Interferometer Space Antenna, eLISA)中的引力波，其頻寬為1到100 mHz，測量全球磁背景噪聲（包括嘗試地震的嘗試），以及軸突暗物質搜尋。儘管具有這些吸引人的特徵，但迄今為止仍缺乏基於Floquet系統的masers的演示。

在這項新的工作中，研究人員設想了一種Floquet maser，它可以透過使用鎖相併由調製頻率隔開的頻率梳來工作。

圖1. 實驗裝置和阻尼反饋機制示意圖。

▲圖解：（A）Floquet 129Xe核旋激射器的示意圖。129Xe原子被極化並透過與光泵浦的87Rb的自旋交換碰撞進行檢測（請參見材料和方法）。在偏磁場和沿z的振盪磁場下，129Xe自旋磁耦合到一個反饋電路，該反饋電路沿y反饋實時Bf（t）並感應129Xe自旋的阻尼。DAQ，資料採集。（B）對於三個不同的反饋增益（對應於不同的Td）測得的自由衰減129Xe訊號。在此，自旋種群Pz和反饋增益χ最初被設定為Pz> 0，χ<0或Pz <0，χ> 0。Td由相應的衰減時間T2和π15激發角確定。（C）測得的衰減時間T2作為阻尼時間的函式（黑色符號）。紅線與（T-12,0 + T-1d）-1擬合，其中T2,0表示沒有反饋的固有退相干時間。（D）翻轉π角後的兩個不同阻尼時間的瞬時maser運算，引起129Xe自旋種群的反轉。衰減訊號可以配合插圖中所示的雙曲正割函式。

該團隊創造的鐳射激射器始於鐳射在偏振分束器處透過波片發射光束的過程。分離的光束然後以低頻週期性傳播到調製磁場。然後，將磁場施加於氙-129樣品的核自旋，該磁場透過與少量銣-87原子的自旋交換來檢測。然後將自旋轉變訊號放大並傳遞到產生第二反饋磁場的線圈中。結果是磁場產生了週期性調製的量子態（也稱為Floquet態）的上下階梯。該裝置的測試表明，它能夠將1到100 Mhz的調製訊號轉換為10 Hz以上的高躍遷頻率，超窄譜線寬小於0.3 Mhz。

▲圖2. Floquet maser的演示

研究人員建議，他們的微波激射器可用於在亞皮克特斯拉級靈敏度下測量低頻磁場，他們指出，這可能在尋找暗物質方面發揮了作用。

香港中文大學的Ren-Bao Liu在同一期Science Advances上發表了Perspectives（觀點）文章，概述了先前的工作，這些工作擴大了masers的功能，以及該團隊在這項最新工作上所做的研究。