上海交通大学物理与天文学院及李政道研究所张卫平教授团队在量子精密测量研究方面取得重要进展。该团队另辟蹊径，将地磁场环境中长期被认为限制性能的非线性塞曼（Nonlinear Zeeman, NLZ）效应转化为一种量子增强的手段，通过在地磁场下生成内禀自旋压缩态，进一步增强原子磁力计的灵敏度。这一创新性研究拓展了量子磁力计的理论框架，为地磁场范围内的高精度原子磁力计提供了新的设计思路。
原子磁力计以其卓越的灵敏度被广泛应用于地质勘探、生物医学诊断、基础物理实验及磁导航等领域，然而在地磁场范围内，其性能却受到非线性塞曼（Nonlinear Zeeman, NLZ）效应的严重限制。NLZ效应引起的磁共振信号劈裂，会导致信号线宽变宽、幅度降低，从而显著限制磁力计的灵敏度和测量精度。这一限制已被认为是地磁场范围内原子磁力计技术发展的主要瓶颈，这是国际上该领域科学家普遍关注的核心难题。
张卫平教授团队以独特的研究视角切入问题，开辟了一条颠覆传统研究思路的全新路径。首次提出将NLZ效应转化为提升灵敏度的“利器”。研究团队通过重新审视NLZ效应，发现其哈密顿量的数学形式与经典生成自旋压缩态的单轴扭曲哈密顿量极为相似。进一步的理论研究表明，由于NLZ效应的存在，原子内部的电子自旋与核自旋能够产生纠缠，在地磁场环境下自发生成内禀的自旋压缩态。但由于其压缩轴与传统磁力计测量轴不对齐且会随时间振荡，传统测量方法难以直接观测或利用这类压缩态，从而使其潜能难以被开发，这也是该效应长期以来被视为限制性因素的重要原因。
图1 自旋压缩态锁定示意图
为解决这一难题，研究团队基于此前成功锁定自旋相干态的研究经验（Phys. Rev. Lett. 120, 033202 (2018)， Phys. Rev. Applied
16, 014045 (2021)），提出了一种全新的锁定策略。结合机器学习优化动力学去耦的脉冲序列，成功将压缩态的压缩轴锁定在测量轴上，并将自旋压缩态的保真度提升至99.99%，为利用地磁环境下的NLZ效应实现量子增强提供了切实可靠的解决方案。这项研究不仅首次揭示了NLZ效应与自旋压缩态生成的深层联系，还将其从传统上的限制性效应转化为量子测量的优势，为突破原子磁力计在地磁场范围内的标准量子极限提供了可能性。这一理论成果有望为地磁测量、生物医学成像、磁导航及其他对高灵敏度磁测需求的领域提供新的技术思路，同时也为量子精密测量技术的进一步发展提供了重要启示。
