单畴玻色凝聚磁力仪实现低于 $\hbar$ 的单位带宽能量分辨率

我们提出了一种单位带宽能量分辨率 $E_R < \hbar$ 的磁传感器。我们展示了通过非破坏性法拉第旋转探测的 $^{87}\mathrm{Rb}$ 单畴自旋玻色-爱因斯坦凝聚体，在测量体积 $V= 1091(30)~\mu\mathrm{m}^3$ 持续 $3.5~\mathrm{s}$ 的情况下，实现了 $72(8)~\mathrm{fT}$ 的单次直流磁灵敏度，从而得到 $E_R = 0.075(16)~\hbar$。我们实验测量了凝聚体体积、自旋相干时间和读出噪声，并使用相空间方法（由 3+1D 平均场模拟支持）来计算自旋噪声。自旋噪声的贡献包括一体和三体损耗，以及由于铁磁接触相互作用与二次塞曼位移竞争导致的投影噪声分布的剪切。尽管如此，单畴、超冷两体相互作用的完全相干特性使得该系统能够摆脱相干性与密度之间的权衡，而这种权衡对传统自旋进动传感器施加了能量分辨率限制。我们预测其他玻色凝聚碱金属，特别是反铁磁 $^{23}\mathrm{Na}$，可以进一步提高这种方法的能量分辨率。