近日，上海交通大学物理与天文学院陈险峰教授、万文杰教授团队在光学微腔精密测量研究方面取得重要技术进展。研究团队利用光学微腔中的“停光点”奇异色散效应，在芯片尺度上实现了对毫米级质量源引力的超高灵敏度探测与加速度传感，为微观尺度引力测量和量子引力效应探索提供了全新的光子学平台。相关成果以“Stopped-light-enhanced gravitational force sensing”为题发表于国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》上。
引力是自然界四种基本作用力中最弱的一种。从1798年卡文迪许扭秤实验，到2016年LIGO首次探测到引力波，人类对引力的测量已跨越两个多世纪。然而，当科学家试图探测越来越小质量源产生的引力时，却面临严峻挑战——球形质量源产生的引力随半径的立方迅速衰减，这极大限制了小质量引力实验的开展。
如何在芯片尺度上实现高灵敏度的弱引力探测，成为横亘在物理学家面前的一道难题。传统卡文迪许型扭秤虽能灵敏测量小质量源引力，但其与微纳光子读出的集成始终困难。
停光点增强型引力加速度传感示意图
针对这一问题，研究团队利用光学微腔中受激布里渊散射诱导吸收（BSIA）产生的“停光点”——一个群速度趋近于零、相位-频率斜率发散的奇异色散点。研究团队在一块半径仅150微米的二氧化硅微球腔中，通过控制激光驱动前向受激布里渊散射，产生约420微秒的群延迟，并在此过程中构建出具有极端陡峭相位色散的“停光点”。当外部引力扰动导致微腔与锥形光纤的耦合距离发生纳米级变化时，这一陡峭的相位色散会将微小位移转化为可测量的光学信号，从而实现灵敏度的数量级提升。
实验采用扭转摆：1.2克、直径6毫米源质量距测试质量约4.2厘米，压电平台驱动产生调制引力场，改变微腔-锥形光纤距离；倏逝场在约100纳米范围指数衰减，微小距离变化即改变耦合率，从而感知加速度。传感器位移灵敏度7.85 pm/√Hz，加速度灵敏度3.06×10⁻¹⁶ g，时间调制引力测量中最小可探测引力变化3.02×10⁻¹⁶ N。
该传感器在室温大气压下工作，无需真空低温；1/f噪声下停光点色散仍保高灵敏。该工作实现芯片尺度极端色散调控，将相干光-声子干涉拓展为通用精密传感资源，可检测卡西米尔力、范德华力、生物分子力等微弱力，为片上高精度加速度计、重力仪及惯性传感器开辟新路径。未来结合环境隔离与阵列化微腔，有望将探测极限推向单量子层次，为量子引力验证、退相干研究及牛顿引力检验提供变革性平台，并为我国精密测量与量子传感自主创新储备关键技术。
作者简介论文第一作者为上海交通大学浦江国际学院博士后朱毅诚；主要从事光学微腔非线性光学与非厄米物理研究。曾获上海交大第十届上海交通大学研究生“学术之星”提名奖，中国科协青年人才托举计划博士生专项等。 作者： 朱毅诚 供稿单位： 浦江国际学院
