极弱磁场探测技术是21世纪现代探测技术的重要组成部分，对于生产生活、国家安全以及基础研究均具有重要意义，包括心脑磁生物医学诊断、地质勘探、暗物质探测等多个交叉科学应用。不断提升磁场测量精度一直是弱磁测量领域的核心目标，量子放大利用原子、分子及粒子的自旋等可以实现微弱电磁场的超低噪声量子放大，在诸多前沿科学应用场景如微波激射器、激光器及原子钟等精密测量领域发挥着重要作用。目前，气态原子自旋可将磁场测量灵敏度提升到fT水平，但自旋量子放大还远未发挥出全部的潜力，主要是由于气态自旋的初始化、相干时间和读出灵敏度相关的约束，使得自旋量子放大的性能受到限制，特别是在测量带宽、工作频率和放大增益等方面。克服这些局限对于释放量子放大的全部潜力并使其在更广泛的应用中得到充分利用至关重要。
针对上述难题，中国科大彭新华教授团队提出了暗态自旋量子放大的概念，并在气态氙和铷原子混合体系中进行了实验展示。在该体系中，气态氙原子作为放大介质，被激光极化的铷原子作为氙原子核自旋的极化和读出手段。研究人员独辟蹊径，通过操控铷原子极化激光、氙原子偏置磁场等实验条件，将极化、放大和读出的过程分离开来，使得量子放大过程中氙原子核自旋处于暗态之中，免受来自极化铷原子的干扰，发挥出量子放大更多的潜力。实验发现处于暗态的氙原子核自旋相干时间长达6分钟，相较以往提升了1个数量级。更长的相干时间有助于提升放大增益，研究人员观察到更长相干的暗态自旋对弱磁信号的放大增益约为5400倍。将暗态自旋放大与原子磁力计相结合，实现了单次测量（约500秒）可探测的最小磁场达到亚飞特斯拉水平（1fT=10-15T）。该研究于2024年4月以“Observation of magnetic amplification using dark spins”为题发表在《美国国家科学院院刊》上。
