近日，物理学院陈刚教授团队在悬浮介观纳米颗粒增强重力传感方面取得积极进展。该研究创新性地结合自旋纠缠态与空间叠加态，在提高重力测量灵敏度的同时实现设备的小型化。相关成果有望在基础科学、资源勘探和惯性导航等领域带来重要应用。

重力测量在资源勘探、潮汐测量、极地运动、大地测量与地球物理等重要领域，如图（a）所示，具有重要的应用价值。从自由落体块状角锥棱镜到自由落体一团原子，重力干涉测量已经从激光的干涉转变到物质波的干涉，其灵敏度已提升至微伽量级(1μGal=10^(-8)m/s²)，具有超过经典重力仪的灵敏度。然而，现有原子重力仪的典型尺寸在米级，设备的小型化以灵敏度的牺牲为代价。如何在保持甚至提高灵敏度的同时实现仪器的小型化，是当前研究的热点与难点。

在该研究中，科研团队提出了一种基于离子阱悬浮纳米金刚石的重力传感方案，在减小干涉仪尺寸的同时提高传感灵敏度。含有氮空位（N-V）色心的纳米金刚石颗粒相比原子具有巨大的质量，同时单个纳米颗粒可包含大量的色心自旋，因此利用其大质量与多自旋可有效减少干涉尺寸并增加传感信号。研究团队新提出的重力测量协议包含以下五个步骤：动量劈裂、自由落体、动量反劈裂、再次自由落体和动量合并。通过自由落体将重力加速度引入振动态，产生与时间平方成正比的相位积累，从而超越早期线性累积方式，仅含一个N-V色心的纳米金刚石在20微米的自由落体距离下便可达到约18μGal/Hz^(-1/2)的灵敏度。并且，当使用含有100个N-V色心的纳米金刚石时，借助声子媒介的单轴扭曲（OAT）动力学对初始自旋态进行自旋压缩，灵敏度可突破标准量子极限，实现N^(-5/6)的标度律，灵敏度进一步提升至0.4μGal/Hz^(-1/2)以上。

此外，在该研究方案中，相位信息通过自旋测量获取，避免了对运动态进行空间分辨探测的困难。在现有实验条件下，研究方案表现出良好的鲁棒性与实用性，在这其中退相干和控制误差因素对协议性能的影响可以忽略不计或者可以被有效补偿。该研究为量子增强型重力测量提供了全新途径，通过将N-V色心的自旋纠缠态与纳米金刚石的空间叠加态相结合，推动小型化、高灵敏度重力仪的研制与应用。

相关研究成果以“Enhanced Gravity Sensing by a Levitated Mesoscopic Nanoparticle”为题发表在物理类顶级期刊《Physical Review Letters》上。其中，物理学院博士研究生王绿云为论文第一作者，崔凯枫副研究员、闫磊磊研究员和陈刚教授为共同通讯作者，郑州大学物理学院为论文第一单位。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/z8b4-sm79

图（a）重力测量在不同精度下的应用（ESA medialab, ESA communication production SP-1314）；（b）利用离子阱囚禁单个纳米金刚石颗粒构建重力仪的方案；（c）重力传感灵敏度：相同传感精度下，该方案的干涉尺寸比传统方案缩小约5个量级