把手机靠近电梯、音箱或者一块磁铁，地图上的方向箭头有时会突然乱转。这通常不是导航软件出了问题，而是手机里的磁场传感器受到了周围环境的干扰。
对普通人来说，最坏的结果可能只是多走几步。对研究精密测量的科学家来说，问题却要棘手得多。他们想寻找的某些信号，可能比实验室里的磁场波动还要微弱。仪器越灵敏，听见的干扰反而越多。
怎样扣掉背景磁场，又不把真正想找的信号一起扣掉？
2026年8月，中国科学技术大学与合肥国家实验室的研究团队在《自然·光子学》发表了一项实验。他们把两种镱原子放在同一个微小区域内，让它们互相“对表”，最终使测量结果对共同磁场变化的敏感程度降低了三万倍以上。
这套装置里还用到了一种听起来颇为奇特的量子状态：“薛定谔猫态”。它不是为了制造噱头，而是用来处理困住原子的激光所带来的一类测量误差。
两只放在一起的“原子指南针”
原子的自旋可以粗略想象成一个不断旋转的小陀螺。周围存在磁场时，它不会静止地指向某个方向，而是会以一定频率绕着磁场方向转动。这个过程叫作进动。磁场发生变化，进动频率也会变化。因此，只要准确测量原子自旋的进动，就可以反推出磁场的信息。
但这里有个麻烦：真正想寻找的信号和环境磁场，都会改变原子的进动。只观察一种原子，很难判断读数变化究竟来自哪里。
研究团队使用了两种镱同位素：镱-171和镱-173。它们像两只放在一起的特殊指南针，处在同一个位置，经历几乎相同的背景磁场。磁场变化时，两种原子的进动频率都会改变，只是改变的比例不同。
这种比例由两种原子的自身性质决定。科学家同时测量两边，再比较它们的进动频率：如果两边按照预期一起变化，大概率是共同的磁场在波动；如果两边的变化偏离了应有的比例，就可能出现了值得继续追踪的信号。
这种让两种原子互相作参照的仪器叫作“共磁力仪”。它并没有让实验室里的磁场消失，而是让最终的比较结果尽量不受共同磁场变化的影响。
为什么要把原子关进“光笼子”
共磁力仪并不是新概念。过去常见的做法，是把两种原子装进一个玻璃气室，让它们在室温下运动。
这类装置已经被用于惯性测量和基础物理实验，但它有一个很难绕开的限制：气室通常有厘米大小，器壁本身也有一定厚度。如果研究者想寻找一种只在几十微米、甚至几微米距离内起作用的未知相互作用，气室里的原子很难靠得足够近。
新实验使用冷原子解决这个问题。
研究人员先把镱原子冷却，再用激光形成一维光晶格。光晶格可以理解成一排由光组成的微型陷阱，原子被固定在其中，不再像气室中的热原子那样到处运动。两种镱原子各约两万个，混合分布在约160个晶格位置，形成一个横向约40微米、长度约80微米的原子云。它和一根头发丝处在相近的尺度。
这个尺寸并不意味着仪器已经能够给磁场拍摄微米级图像。它真正带来的优势是，研究者将来可以把实验样品放得离原子云更近，寻找只在1—100微米距离内出现的微弱作用。
同时，冷原子不需要与玻璃气室壁碰撞，也可以减少器壁带来的干扰。
困住原子的光，也会拨动原子
把原子固定下来只是第一步。新的问题很快出现了：用来困住原子的激光，本身也会改变原子的能级和进动频率。
这有点像为了看清钟表而打开一盏强灯，灯光产生的热量却让钟表走得不再准确。在实验里，这些由光造成的能级变化统称为光频移，主要需要处理其中两类影响。
第一类叫矢量光频移。如果晶格光的偏振中混入一点旋转成分，它对原子的作用就像额外增加了一点磁场。研究团队把晶格光尽可能调到线偏振，以尽量压低这种干扰。
第二类叫张量光频移。它会随自旋状态数值的平方而变化，对自旋结构更复杂的镱-173尤其重要。镱-171的自旋结构较简单，不受这一类张量项影响；镱-173则需要借助“薛定谔猫态”。
一只原子内部的“薛定谔猫”
镱-173的自旋有多个可能状态。研究人员从中选出最两端的+5/2和−5/2，把单个原子制备成同时保留这两种可能的相干量子叠加态。
这里的“猫态”发生在一个原子的内部，并不是许多原子共同组成了一只宏观的“猫”。实验会在许多镱-173原子上重复制备这种状态，再汇总读取它们的信号。
为什么这能对付张量光频移？因为这类光频移主要按照自旋数值的平方起作用。+5/2和−5/2方向相反，平方却相同，因此囚禁光给猫态两个部分造成的主要能级移动相同，不会破坏它们之间的相位关系。
磁场的作用则不同。它仍会在两个自旋部分之间积累出相对差别，并在最后被读出。换句话说，猫态帮助研究人员保住磁场留下的信息，同时压低张量光频移造成的干扰。
但猫态并不是一键消除所有误差。矢量光频移仍要靠控制偏振来处理，原子碰撞、读取串扰和其他系统误差也要分别控制。研究人员还发现，+5/2和−5/2两个自旋态感受到共同的张量光频移会与外加磁场共同作用，悄悄改变镱-173的进动频率。团队进一步建立模型、改变磁场方向和强度，找出了这种偏差并进行校正。
1400秒、60秒和50秒，不是一回事
准备好两种原子后，研究人员让它们同时开始进动。经过一段时间，再读取两边积累的相位变化。这套“准备、等待、读取”的方法叫作Ramsey干涉。
演化时间越长，微小的频率差异越容易在最终相位读数中积累出来。但论文涉及的三个时间数字，需要分开理解。
在此前单独使用镱-173的实验中，团队从干涉信号的衰减中拟合出约1.4×10³秒的猫态相干时间。这说明经过光学控制后，这种量子态本身的相干性可以长时间保持稳定。
在此次双同位素装置中，镱-173猫态干涉信号的相干时间约为60秒。两种同位素之间的碰撞会加快相干性的损失，因此这个数字明显短于此前单独使用镱-173时的结果，也为后续改进留下了方向。
论文还报告了约50秒的原子寿命。它描述的是原子怎样从光晶格中逐渐流失，与自旋相位关系能够维持多久不是同一个概念。因而，不能把这三个数字简单写成“两种原子都保持了相同时间”。
三万倍究竟意味着什么
接下来，团队检验两种原子能否真正抵消共同磁场变化。
他们把外加磁场从50毫高斯增加到100毫高斯。磁场增大一倍后，单独看任何一种镱原子，它的进动频率都会发生明显变化；但把两种原子的频率放在一起比较，二者的比值只移动了很小一部分。
按照论文的定义，在95%置信水平下，这套共磁测量对共同磁场变化的抑制因子超过3×10⁴。
这里的“三万倍”不是说实验室里的磁场噪声能量真的减少了三万倍，也不是说仪器绝对灵敏度提高了三万倍。它表示，当背景磁场发生变化时，两种原子的频率比受到的影响要小三万倍以上。
这份稳定来自整套装置的共同配合：两种同位素在同一处测量，晶格光的偏振和读取串扰受到控制，猫态压低张量光频移，剩余的系统偏差再通过磁场方向的微调来压制。
团队还用这套装置重新测量了镱-171和镱-173的核磁矩之比，结果为−0.726076(3)，相对精度达到4 ppm，也就是百万分之四，比过去的推荐数据精确了约一个数量级。这既是一项独立测量结果，也是对整套装置误差控制能力的检验。
磁场安静以后，科学家想听什么
这项实验没有拍出磁场的“CT”，也没有发现新的粒子或未知的新物理作用。
它首先完成的是一项测量工具的建设：把两种核自旋原子放进同一个微小空间，让它们长时间互相校准，并大幅降低共同磁场波动对结果的影响。
有了这样的工具，研究者下一步可以寻找一些更加具体的问题。
例如，可以把一块质量较大的物体逐渐靠近原子云。如果自然界中存在某种只在极短距离内起作用、并且与核自旋有关的未知相互作用，两种镱原子的进动频率就可能出现无法用普通磁场解释的差异。
论文估计，在约1微米的作用距离上，这套装置未来对某些自旋与质量之间未知相互作用的探测能力，最多可能比现有限制提高三个数量级。
另一个研究方向是原子电偶极矩。电偶极矩实验试图寻找自然界中极其微弱的对称性破坏，但测量很容易受到磁场噪声干扰。让两种原子互相作参照，可以帮助研究者把这类背景从结果中进一步剥离。
这些都还是未来的实验。三万倍的磁场抑制并不等于新物理已经出现，它只是让科学家拥有了一间更安静的“听音室”。
当两群原子带着一只微观的“薛定谔猫”，把共同的磁场波动一项项扣掉以后，研究者才有机会继续追问：剩下的那一点微小差异，究竟只是尚未识别的仪器误差，还是来自一种我们还不了解的自然力量？
审核 | 夏添
参考论文：
J.-L. Zhang, W.-T. Luo, Y. A. Yang, Y.-Q. Wang, T. Xia & Z.-T. Lu, “Cold-atom comagnetometry via optical control of spin states,” *Nature Photonics* (2026), DOI: 10.1038/s41566-026-01982-4。
Y. A. Yang, W.-T. Luo, J.-L. Zhang, S.-Z. Wang, Chang-Ling Zou, T. Xia & Z.-T. Lu, “Minute-scale Schrödinger-cat state of spin-5/2 atoms,” *Nature Photonics* 19, 89–94 (2025), DOI: 10.1038/s41566-024-01555-3。
热门跟贴