Как темный спин меняет будущее квантового усиления

Исследовательская группа впервые реализовала квантовое усиление чрезвычайно слабого магнитного поля с использованием темного спина, достигнув увеличения магнитного поля более чем в 5000 раз и точности измерения одиночного магнитного поля на уровне 0,1 фемтотеслы (fT). Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

Квантовое усиление является эффективным способом для точного измерения слабого электромагнитного поля. Однако его производительность ограничена из-за проблем с инициализацией газообразного спина, временем когерентности и чувствительностью считывания. Преодоление этих ограничений критически важно для раскрытия полного потенциала квантового усиления.

Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, исследователи предложили концепцию квантового усиления спина в темном состоянии и провели эксперименты в смешанной системе газообразного ксенона и рубидиевых атомов. В этой системе ксенон используется как усилительный материал, а рубидиевые атомы, поляризованные лазером, — как средство поляризации и считывания спина ядра ксенона.

В отличие от предыдущих экспериментов, где смешанные газообразные атомы находились в одном пространстве, процессы поляризации, усиления и считывания обычно проводятся одновременно. Исследователи нашли новый способ разделения этих процессов путем манипулирования экспериментальными условиями, такими как лазер, поляризующий рубидиевые атомы, и смещенное магнитное поле ксеноновых атомов. Это позволило спинам ядер ксенона находиться в темном состоянии в процессе квантового усиления, что исключает вмешательство поляризованных рубидиевых атомов и реализует больший потенциал квантового усиления.

Ученые обнаружили, что время когерентности спина ядра ксенона в темном состоянии в этой системе достигает шести минут, что на порядок выше, чем раньше. Наблюдаемое усиление слабого магнитного сигнала длинным темным спином было увеличено примерно в 5400 раз. Применение этого метода в комбинации с атомным магнитометром позволяет минимально обнаруживаемому магнитному полю достигать уровня субфемтотеслы (1 fT = 10^-15 Тесла) за одно измерение, занимающее около 500 секунд.

Эта работа открывает новые возможности в биомедицинских областях, таких как магнитная диагностика сердца и мозга, измерение крайне слабых магнитных полей химических молекул и обнаружение темной материи.

Исследовательскую группу возглавляли профессор Пэн Синьхуа и доцент Цзянь Мин из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS).