研究背景
量子效应通常在微观体系中被观测和利用，而扩大量子比特系综规模理论上能提升传感和计量性能，但体系尺度增加时，经典噪声极易掩盖量子效应，这成为宏观量子计量的核心矛盾。此前量子极限测量仅在纳米和介观体系中实现，原子气室实验虽能观测量子自旋涨落，但受光子散粒噪声限制，灵敏度难以突破。自旋基传感平台通过测量系综动力学检测谱线偏移、弱磁场或与假想粒子的微弱相互作用，其性能核心指标为集体自旋角倾斜的探测灵敏度，而量子自旋投影噪声（自旋噪声）为该指标设定了标准量子极限。对于自旋 1/2 粒子系综，集体自旋的横向投影方差由量子特性决定，与自旋极化无关，这一量子涨落是宏观自旋系综计量的固有极限，也是本研究的核心探测对象。
研究团队构建了基于超导共振电路的高灵敏度探测体系，突破了经典噪声的抑制难题，实现了宏观自旋系综的量子极限探测。实验核心装置为集成在稀释制冷机中的超导接收电路，包含与宏观自旋系综电感耦合的二阶梯度计拾取线圈，该线圈与串联电容构成谐振轮廓，通过弱耦合变压器连接超导量子干涉装置（SQUID）的输入线圈，励磁线圈则用于电路的外激发调控。整个装置置于超导螺线管磁体的孔中，制冷机将体系冷却至极低温度，有效抑制了热噪声，而二阶梯度计拾取线圈与谐振电路的结合，实现了外部电磁噪声的解耦，电感探测方式则避免了光子散粒噪声的影响，这是该体系突破传统探测灵敏度限制的关键。
研究内容
实验选取聚四氟乙烯中的 ¹⁹F 核自旋系综和尼龙中的 ¹H 核自旋系综作为研究对象，二者均为毫摩尔尺度的宏观固态样品，自旋极化遵循居里定律，由偏置磁场和自旋温度决定。团队首先对超导接收电路进行表征，测得电路共振频率为 3.699 MHz，品质因子达 1.7×10⁴，高品质因子使电路在共振时阻抗降低、电流增强，大幅提升了探测灵敏度。当偏置磁场使自旋拉莫尔频率接近电路共振频率时，自旋系综的磁导率会改变拾取线圈的电感和有效电阻，导致电路共振频率偏移和线宽展宽，团队利用这一特性完成了 ¹⁹F 自旋系综的小偏转角连续波核磁共振探测，验证了电路对自旋系综磁响应的高灵敏度。
研究实现了无外激发的量子涨落波谱学，利用热涨落和量子涨落作为电路的唯一激发源，突破了传统磁共振需外激发的限制。根据涨落 - 耗散定理，电路的电阻损耗会产生约翰逊 - 奈奎斯特热噪声，与 SQUID 的不精确噪声共同构成电路的本底噪声，而宏观自旋系综的量子自旋投影噪声会作为额外的电压涨落源耦合至接收电路。当断开外部驱动时，团队通过测量 SQUID 的电流功率谱密度，观测到与外激发时一致的电路共振偏移和展宽，证实了热噪声可作为磁共振波谱学的激发源。通过改变偏置磁场，团队测得电路线宽和共振偏移随磁场的变化规律，其谱峰对应 ¹H 和 ¹⁹F 的旋磁比，高斯线形与偶极展宽估计一致，同时提取出 ¹⁹F 的自旋极化率和平衡自旋温度，完成了无外激发的磁共振波谱学探测。
团队进一步从电路电压噪声谱中分离出量子自旋投影噪声信号，证实了其量子本质：量子自旋涨落的幅度与自旋系综极化无关，而经典自旋噪声的幅度与极化成正比，实验中 ¹⁹F 自旋极化变化约 220 倍，但自旋诱导的电压噪声幅度保持不变，直接验证了探测信号的量子属性。研究还实现了非平衡自旋态制备与超慢热化动力学的单次测量，通过提升磁场至 2.9 T 使自旋系综超极化（自旋温度 59 mK），或通过共振驱动抑制自旋极化，快速恢复偏置磁场后，利用无外激发的波谱学技术对自旋系综的热化过程进行连续测量。实验发现，超极化和饱和的自旋系综均以指数形式趋向热平衡，弛豫时间达 94.5×10³ s，如此长的弛豫时间使传统脉冲核磁共振测量难以实现，而本研究的单次量子极限测量则完美解决了这一问题，体现了无侵入式探测的独特优势。
研究对宏观自旋系综的量子自旋涨落进行了精密测量，从电路电压噪声谱提取出 ¹⁹F 集体自旋角涨落的功率谱，其中心位于拉莫尔频率，高斯线形与理论预测一致。在超极化自旋态下，集体自旋的量子角涨落方差达 2.5×10⁻²¹ rad² Hz⁻¹，均方根角涨落低至 9×10⁻⁹ rad，从角涨落与极化的关系中提取出系综中有效 ¹⁹F 自旋数为 4.7×10²¹，与样品的宏观尺度相符。这一结果证实了宏观体系中量子自旋涨落的存在，打破了 “宏观体系仅表现经典行为” 的固有认知。
团队指出了该研究的后续发展方向：通过魔角旋转克服偶极展宽带来的自旋线宽增宽问题，利用实时反馈实现宏观自旋压缩和多体量子动力学研究；该探测体系可拓展至更高物理温度的样品，只需保证电路噪声和品质因子不受显著影响。此外，该技术为基于磁共振的超轻轴子暗物质探测提供了关键的探测器技术，如宇宙轴子自旋进动实验，量子极限的自旋演化探测能力将大幅提升轴子暗物质、强 CP 问题、暴胀能标等基础物理问题的研究精度。
该研究将量子极限计量从微观体系推向毫摩尔尺度的宏观体系，证实了宏观自旋系综中量子自旋涨落的客观性，实现了无外激发、无侵入式的磁共振波谱学，解决了传统技术对超慢弛豫动力学、敏感材料难以探测的难题。其构建的超导共振电路探测体系为宏观量子传感提供了全新平台，推动了量子计量与宏观磁共振的交叉融合，在材料科学、凝聚态物理和基础粒子物理研究中具有重要的应用前景。
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