Single-atom probe bruger kvanteinformation for første gang

Sensorer indsamler visse parametre som temperatur og lufttryk i nærheden. Fysikere fra Kaiserslautern og en kollega fra Hannover er lykkedes for første gang at bruge et enkelt cæsiumatom som sensor til ultrakølede temperaturer. For at bestemme de målte data, de brugte kvantetilstande - atomets spin eller vinkelmoment. Med disse spins, de målte temperaturen på en ultrakold gas og magnetfeltet. Systemet er kendetegnet ved en særlig høj følsomhed. Sådanne sensorer kan bruges i fremtiden, for eksempel, at undersøge kvantesystemer uden indblanding. Værket blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

I deres eksperimenter, forskere ledet af professor Dr. Artur Widera, der studerer kvantesystemer, observerede individuelle cæsiumatomer i en rubidiumgas afkølet til nær absolut nul. Temperaturen er kun en milliarddel af en brøkdel af en grad over dette nulpunkt. I deres nuværende undersøgelse, de har undersøgt, om cesiumatomets centrifugeringstilstande kan bruges til at få information. "Udtrykket spin refererer til atomens iboende vinkelmoment, "forklarer professor Widera fra Technische Universität Kaiserslautern (TUK)." I cæsium, der er syv forskellige orienteringer for dette spin. "Forskningen fokuserede på gastemperaturen.

Når det eneste cæsiumatom er indført i rubidiumgassen, rubidiumatomerne kolliderer med det. "Dette gør det muligt at udveksle vinkelmoment mellem atomerne, indtil der opnås en spin -balance, "forklarer Dr. Quentin Bouton, hovedforsker og første forfatter af undersøgelsen. Forskerne måler spinet af det enkelte atom og kan dermed bestemme temperaturen. Sammenligning af denne metode med konventionelle målemetoder, hvor fysikere opnår den samme temperaturværdi, bekræfter dens succes.

Det særlige ved undersøgelsen var målingens høje følsomhed. I en typisk måling, det er nødvendigt at bringe sensoren i kontakt med den kolde gas og vente, indtil ligevægt er nået. "Faktisk, for kvantesensorer, der er en grundlæggende grænse for deres følsomhed i ligevægt. Imidlertid, vi inkluderede information om interaktionerne mellem cæsium og rubidium på forhånd, så vi behøvede ikke at vente, til atomet var i ligevægt med rubidiumgassen, "Bouton fortsætter. Som et resultat, Kaiserslautern -forskernes målesystem har en følsomhed, der er cirka 10 gange højere end den grundlæggende kvantegrænse kræver.

"Vi havde kun brug for tre spin -udvekslingsprocesser - med andre ord, tre atomkollisioner - for at nå frem til et resultat, "Bouton fortsætter. Således, forstyrrelsen af ​​rubidiumgassen er også begrænset til tre kvanta. Dette er et vigtigt skridt mod måling af følsomme kvantesystemer med så lidt forstyrrelse som muligt, som er af interesse for fremtidige applikationer inden for kvanteteknologi.

"Det er første gang, vi har brugt et enkelt atom som en sensor, der bruger kvanteinformation og er betydeligt bedre end en klassisk sensor, "Widera påpeger. Fysikerne gennemførte også dette eksperiment med magnetfelter og registrerede de magnetiske tilstande. Denne nye og meget følsomme sensor er egnet, for eksempel, til undersøgelse af skrøbelige kvantesystemer næsten uden ødelæggelse.

Ud over arbejdsgruppen for professor Widera, Professor Dr. Eberhard Tiemann fra Hannover var involveret i arbejdet.