上海光機所噴泉鐘磁場評估與計量研究方面取得突破

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所量子光學(xué)重點實驗室研究員魏榮課題組在冷原子噴泉鐘的磁場評估與計量研究方面取得系列進(jìn)展。

電磁場是基本的物質(zhì)形態(tài)。磁場通過塞曼效應(yīng)影響粒子的能級，是影響原子鐘及其它精密測量領(lǐng)域重要的因素。相關(guān)領(lǐng)域通過一階塞曼效應(yīng)引起能級分裂測試磁場。科研人員基于受激拉曼躍遷方法，探索了雙光子躍遷下的選擇定則(不僅有ΔmF=0,±1而且增加ΔmF=±2)，并結(jié)合一階、二階塞曼效應(yīng)不同的頻率敏感系數(shù)，實現(xiàn)了二階塞曼效應(yīng)弱磁敏躍遷測試磁場。它與一階塞曼效應(yīng)的強磁敏躍遷相結(jié)合，相當(dāng)于為磁場測量提供了相差500倍的雙量程磁強計，大大拓展了磁場強度的測試范圍。

磁場是矢量，這使磁場的方向測量成為一件重要工作。基于原子能級分裂的塞曼效應(yīng)磁場測試與普通的基于霍爾效應(yīng)磁強計有較大區(qū)別。霍爾效應(yīng)磁強計是測試磁場矢量在測試方向的投影，而塞曼效應(yīng)引起的能級分裂取決于磁場的大小，它對粒子的影響是通過C-G系數(shù)，也就是躍遷的強度體現(xiàn)。通過光場與靜磁場的張量關(guān)系描述，科研人員分析了受激拉曼躍遷的強度與靜磁場的張量關(guān)系，通過測量精密控制偏振的拉曼激光引起的不同塞曼能級間的躍遷強度，測試了噴泉鐘中靜磁場的軸向和徑向投影，實現(xiàn)了對磁場矢量的遠(yuǎn)程測量。測試精度在軸向達(dá)到毫弧度量級，徑向達(dá)到0.1弧度量級。

磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質(zhì)，磁場不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的。磁場具有波粒的輻射特性。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用接觸就能發(fā)生作用。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或電場的變化而產(chǎn)生的。用現(xiàn)代物理的觀點來考察，物質(zhì)中能夠形成電荷的*成分只有電子（帶單位負(fù)電荷）和質(zhì)子（帶單位正電荷），因此負(fù)電荷就是帶有過剩電子的點物體，正電荷就是帶有過剩質(zhì)子的點物體。運動電荷產(chǎn)生磁場的真正場源是運動電子或運動質(zhì)子所產(chǎn)生的磁場。例如電流所產(chǎn)生的磁場就是在導(dǎo)線中運動的電子所產(chǎn)生的磁場。