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原子系综精密测量团队

量子精密测量研究部

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团队成立于2019年10月，负责人为杨仁福研究员。该团队聚焦量子传感技术研究，以热原子系综为传感单元，开展时间频率、磁场、电场等物理量的量子精密测量技术研究。针对传感器高精度、微型化、低功耗、高可靠性和低成本等实际应用需求，研制开发微型原子钟、原子磁力仪、原子天线、金刚石NV色心等量子传感器。团队成员15人，其中：科研人员7名，高级工程师3人，博士后1人，在读博士研究生3人，科研助理1人。目前正在承担多个国家重大科研项目及基础科研课题。

团队负责人：杨仁福

团队主要研究进展包括：

1）微型原子钟：目前研制的微型原子钟，体积为15 cm³，重38 g，运行功耗 < 1 W，频率稳定度指标为 < 3E-11@1s、< 1E-11@10s、< 3E-12@100s，相位噪声优于-140 dBc@10kHz，校准后频率准确度优于4E-12，完成了旋翼无人机搭载试验，总体技术指标优于国际相关公司的同类产品。

图1 微型原子钟

2）里德堡原子天线：开展基于里德堡原子的宽频和高灵敏电磁频谱量子感知和监测等研究。目前已研制可编程的窄线宽光纤激光器，实现激光的SAS和EIT自动锁定和控制，成功研制目前集成度最高的里德堡原子制备模块。实现了分辨率720P的里德堡原子天线的高清视频接收探测。

图2 里德堡原子电场探测集成化系统

3）金刚石NV色心：研制了应用于固态量子探测的共聚焦扫描显微镜，实现对金刚石NV色心、碳化硅色心等固态量子材料的自旋操控与读取；利用该显微镜可实现对各种材料在室温条件和高压条件下的空间高分辨荧光成像以及物性表征；通过电子束辐照法和CVD生长法，成功制备纳米级金刚石NV色心样品以及高浓度NV色心毫米级金刚石系综样品。

图3 基于金刚石NV色心的共聚焦扫描显微镜

4）原子磁力仪：基于无磁VCSEL激光器芯片设计和制备，消除光源对光泵磁力仪等精密仪器灵敏度的影响，搭建了Bell-Bloom小型磁强计原理样机，实现优于200 fT/√Hz 的测量灵敏度，搭建了磁场梯度测量系统，集成后的梯度探头小于20 cm³。

图4 原子磁场精密测量实验系统

Publication lists:

(1) F.M. Stürner, Y. Liu, P.-O. Colard, M. Markham, and F. Jelezko, Magnetometry based on the excited-state lifetimes of a single nitrogen-vacancy center in diamond, Appl. Phys. Lett. 119(13), 134001 (2021).

(2) Baha Sakar, Yan Liu, Sibylle Sievers, Volker Neu, Johannes Lang, Christian Osterkamp, Matthew L. Markham, Osman ?ztürk, Fedor Jelezko, and Hans W. Schumacher, Quantum calibrated magnetic force microscopy, Phys. Rev. B 104(21), 214427 (2021).

(3) Wenhao Luo, Hong Zhang, Yan Liu, Xiaogang Wei, Yanhua Wang, Renfu Yang, A dual-axis high-order harmonic and single-axis phase-insensitive demodulation atomic magnetometer for in situ NMR detection of Xe, J. Appl. Phys. 132, 144401 (2022).

(4) Yijie Du, Nan Cong, Xiaogang Wei, Xiaonan Zhang, Wenhao Luo, Jun He, and Renfu Yang, Realization of multiband communications using different Rydberg final states, AIP Advances 12, 065118 (2022).

(5) Weina Liu, Md Noor A. Alam, Yan Liu, Viatcheslav N. Agafonov, Haoyuan Qi, Kaloian Koynov, Valery A. Davydov, Rustem Uzbekov, Ute Kaiser, Theo Lasser, Fedor Jelezko, Anna Ermakova, and Tanja Weil, Silicon-Vacancy Nanodiamonds as High Performance Near-Infrared Emitters for Live-Cell Dual-Color Imaging and Thermometry, Nano Lett. 22(7), 2881–2888 (2022).

 (6) 杜艺杰, 丛楠, 何军, 杨仁福，基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量, 导航与控制, 21, 192, (2022).

(7) Rong Wang, Yongxiong Chen, Xiaonan Yan, Nan Cong, Delei Fang, Peipei Zhang, Xiubing Liang, and Wenwang Wu. Experimental Investigations on the Mechanical Performances of Auxetic Metal-Ceramic Hybrid Lattice under Quasi-Static Compression and Dynamic Ballistic Loading. Appl. Sci., 13, 7564 (2023).

(8) 董先启, 刘岩, 杨仁福，基于金刚石氮-空位色心的温度测量技术，宇航计测技术, 43, 3 (2023).