構建魯棒且可擴展的量子技術，其關鍵在于我們維持構成元素的脆弱量子態的能力。在構建量子傳感器、原子鐘和量子存儲器的有前途的候選者中，堿金屬原子的電子自旋扮演著重要角色。這些原子以其單個價電子為特征，擁有定義明確的內部能級和磁矩，可以通過光學和磁場輕松地對其進行操縱和讀取。它們相對簡單，加上成熟的激光冷卻和俘獲技術，使其成為基礎量子物理實驗和實際應用的理想系統。

然而，限制堿金屬自旋系綜性能和相干時間的一個主要障礙是退相干——由于與周圍環境的相互作用導致其量子特性不可逆地喪失。最近發表在PRL的題為“在低磁場下抑制堿金屬原子自旋退相干”的研究，在克服這一挑戰方面取得了重大進展，揭示了一種通過審慎使用低磁場來延長自旋相干性的強大新方法。

堿金屬蒸汽中的退相干源于多種因素，每個因素都會導致集體自旋態的破壞。其中突出的包括原子間的碰撞、與緩沖氣體（常用于減緩擴散）的相互作用、波動的磁場以及用于探測或操縱原子態的光的相互作用。這些相互作用可能導致原子內部狀態的隨機變化，從而導致相干自旋疊加的衰減。

幾十年來，科學家們設計了巧妙的技術來減輕這些影響。這項工作的基石之一是自旋交換弛豫自由 (SERF) 機制的發展。在非常低的磁場下的高密度堿金屬蒸汽中，自旋交換碰撞（兩個原子交換其電子自旋）的速率變得遠快于自旋在磁場中的拉莫爾進動頻率。這種快速平均有效地抵消了自旋交換碰撞對平均自旋取向的凈效應，從而顯著減少了來自這一特定來源的退相干。SERF 機制對于實現原子磁力計前所未有的靈敏度至關重要。

然而，SERF 機制雖然對自旋交換非常有效，但并未解決所有退相干源。其他碰撞過程，例如與緩沖氣體分子碰撞期間的自旋旋轉相互作用或自旋破壞碰撞，仍然可能導致快速的自旋弛豫。此外，用于光泵浦或探測的光的相互作用，也可能引起交流斯塔克頻移和自發輻射，這兩者都可能導致退相干，特別是在需要連續光學訪問的應用中。抑制這些非自旋守恒或光誘導的弛豫途徑仍然是一個關鍵挑戰。

這正是新研究所做出的關鍵貢獻，這篇論文報告了實驗結果，表明施加低磁場可以顯著抑制由非自旋交換過程引起的退相干。具體來說，研究人員表明，由與氮氣分子碰撞期間的自旋旋轉相互作用引起的退相干以及由近共振光吸收引起的退相干可以在低磁場下被抑制一個數量級。這是一個顯著的結果，因為它將低磁場的保護作用擴展到廣為人知的 SERF 機制之外。

論文的核心思想是，在較高磁場下，自旋快速進動。如果導致退相干的相互作用（如碰撞或光吸收事件）相對于進動周期發生得較快，它們可以有效地將自旋踢向不同的方向。當這些踢擊隨機發生時，整體相干性就會喪失。然而，在低磁場下，拉莫爾進動緩慢。研究表明，在這個低場區域，相互作用動力學本身或它們對自旋的影響可能會以一種對整體自旋相干性損害較小的方式被修改或平均掉。論文指出，較高磁場下的“異步拉莫爾進動”是導致增加退相干的機制，而在低磁場下可以自然地減輕這種機制。

這一發現特別強大，因為它提供了一個單一的、相對簡單的控制參數——磁場強度——可以通過調節來抑制多種不同的退相干途徑。雖然 SERF 依賴于自旋交換速率與拉莫爾頻率的比率，但這項工作表明，僅僅通過降低磁場大小就可以對其他過程進行更直接的抑制。這為使用堿金屬蒸汽的實驗人員提供了新的控制水平。

這項研究對量子科學和技術具有深遠的影響。延長堿金屬自旋的相干時間直接意味著各種應用的性能提升。對于原子磁力計而言，更長的相干時間意味著靈敏度更高，從而能夠以更高的精度檢測更弱的磁場，這對于生物磁學到基礎物理搜索等應用至關重要。在量子計算和存儲領域，更長的相干時間對于執行復雜的量子操作和長時間存儲量子信息至關重要。這項工作表明，除了其他相干保護技術之外，僅僅在仔細選擇的低磁場環境下操作基于堿金屬自旋的設備，就可以顯著提高性能。

此外，這項研究加深了我們對原子自旋、其環境和外部場之間復雜相互作用的基本理解。通過在低場下識別和抑制特定的退相干機制，它為限制相干性的微觀過程提供了寶貴的見解。這種改進的理解可以為未來實驗的設計以及開發新的材料和技術以進一步增強自旋相干性提供信息。