Gennemgang af ædelgasspinforstærkning via spin-udvekslingskollisioner

Denne undersøgelse blev ledet af Prof. Xinhua Peng og Prof. Min Jiang, som har været dedikeret til at udvikle spin-baserede kvanteteknologier til påvisning af svage magnetiske felter i mange år.

Forskerne brugte en dampcelle indeholdende rumlige overlappende nukleare spins af ædelgas (f.eks. xenon-129) og atomare spins af alkali-mentale atomer (f.eks. rubidium-87) til at etablere ultrafølsomme kvantesensorer til detektering af svage magnetfelter.

For første gang fandt de ud af, at de nukleare spins kan fungere som en forforstærker, der effektivt forbedrer et sammenhængende oscillerende målt magnetfelt med mindst to størrelsesordener.

De fremviste evnen af ​​den spin-baserede forstærker til at overgå grænsen for foton-skud-støj på selve rubidium-magnetometeret, og nærmer sig grænsen for spin-projektion-støj for sidstnævnte. Denne opdagelse tilskyndede dem til at opnå en ultrahøj magnetisk følsomhed af femtotesla-niveau, som har en væsentlig bedre ydeevne end andre magnetometre demonstreret med nukleare spins begrænset til følsomheden af ​​nogle få picoteslaer.

Derefter udvidede de spin-forstærkning i Floquet-systemet, som samtidigt kan forbedre og måle flere magnetiske felter med mindst én størrelsesordensforbedring, hvilket giver mulighed for målinger på femtotesla-niveau. Desuden udviklede de en ny "Floquet maser" på dette hybridsystem af nukleare og atomare spins, som muliggør Floquet-masermagnetometri på femtotesla-niveau til ~mHz ultralav frekvens. Den opnåede magnetiske følsomhed når ~700fT/Hz ^1/2 under 60mHz, hvilket er den hidtil højeste magnetiske følsomhed i millihertz-området.

Disse teknikker vil gøre det muligt for laboratorie-skala "bordplade" eksperimenter at udforske grænserne for grundlæggende fysik. Nye partikler og kræfter kan generere et eksotisk magnetfelt, der oscillerer ved dets Compton-frekvens på kernen (f.eks. xenon), som kan forstærkes og derefter detekteres af denne kvantesensor med spin-forstærkning.

De udførte en række eksperimenter, og de opnåede begrænsninger på styrkerne af disse eksotiske interaktioner er væsentligt bedre end de tidligere laboratorie-. For eksempel, for ultralet axion-lignende mørkt stof, forbedrer de de tidligere laboratoriebegrænsninger med mindst fem størrelsesordener, og for første gang overskred den nye begrænsning grænserne fra astrofysiske observationer. For spin-afhængige interaktioner medieret af aksioner og andre nye lysbosoner forbedrede de tidligere grænser med op til to størrelsesordener.

Disse teknikker og applikationer, som en interessant kombination af kvantesansteknikker og testen af ​​fundamental fysik (traditionelt i partikelfysik), appellerer til almene fysikere. I fremtiden vil spin-forstærkningsteknikkerne udvikle sig dramatisk i løbet af de kommende år og kaste nyt lys over anvendelser fra kvantemetrologi, undersøgelse af dynamikken i de geomagnetiske felter og kvanteinformationsbehandling til at sondere ny fysik ud over standardmodellen.

Forskningen blev offentliggjort i Science China Information Sciences . + Udforsk yderligere

Ny spin-forstærker accelererer søgningen efter mørkt stof