北京计算科学研究中心赵楠团队在气体核磁共振系统中观测到了由自旋扩散效应导致的宇称-时间(PT)对称破缺现象，并演示了如何利用PT破缺相的特性实现抗干扰的稳定原子磁力仪。研究成果以“Stable Atomic Magnetometer in Parity-Time Symmetry Broken Phase”为题，于2023年1月9日在线发表于Physical Review Letters。

在气体核磁共振系统中，扩散效应通常起到负面的作用。在非均匀的磁场中，自旋扩散会导致磁共振谱线的展宽，从而限制谱线的分辨率和测量灵敏度。然而，通过求解自旋扩散方程可以发现，当磁场梯度大于某一个阈值时，扩散效应会使自旋系统的本征模式发生PT对称性破缺。在PT破缺相中，自旋的扩散使自旋磁共振谱线发生劈裂，引入了额外的测量资源。赵楠团队在¹²⁹Xe-¹³¹Xe核磁共振系统中对此PT对称性破缺过程进行了深入的研究，观测到了完整的对称性破缺过程，并利用PT破缺相实现了对环境变化不敏感的稳定原子共磁力仪，极大地提高了原子共磁力仪的长期稳定性。这一实验工作加深了人们对原子磁力仪等精密测量器件中核自旋空间分布规律的理解，为原子磁力仪、惯性传感等技术的发展提供了一种新的思路。

图1: 左图：实验装置示意图。右图：实验观测到的核自旋自由演化本征模式的本征值谱，PT对称性破缺发生在图中的分叉点。

• 该成果得到了中物院《量子陀螺》项目和国家自然科学基金联合基金（NSAF）重点项目的支持。

Reference:

X. Zhang, J. Hu and N. Zhao, Stable Atomic Magnetometer in Parity-Time Symmetry Broken Phase, Phys. Rev. Lett. 130, 023201 (2023).