Forskere hæver minimum magnetfelt af en enkelt måling til sub-femtotesla niveau

Et forskerhold har for første gang indset kvanteforstærkningen af ​​et ekstremt svagt magnetfelt ved at bruge mørkt spin, hvor magnetfeltets forstørrelse overstiger en faktor på 5.000, og det enkelte magnetfelts målenøjagtighed når 0,1 fT niveau. Undersøgelsen er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Kvanteforstærkning er et effektivt middel til at opnå præcis måling af et svagt elektromagnetisk felt, men ydelsen af ​​spinkvanteforstærkning er begrænset på grund af begrænsningerne for initialisering af gasformigt spin, kohærenstid og udlæsningsfølsomhed. At overvinde disse begrænsninger er meget vigtigt for at frigøre det fulde potentiale af kvanteforstærkning.

For at løse de ovennævnte problemer har forskere fremsat konceptet om mørk-tilstand spin-kvanteforstærkning og udført eksperimenter i det blandede system af gasformige xenon- og rubidiumatomer. I dette system bruges gasformige xenonatomer som amplifikationsmediet, og rubidiumatomer polariseret med laser bruges som polarisations- og udlæsningsmidler for xenonkernespin.

I modsætning til tidligere eksperimenter, hvor de blandede gasformige atomer er i samme rum, udføres processerne med polarisering, amplifikation og udlæsning normalt på samme tid. Forskerne i denne artikel har fundet en ny måde at adskille processerne for polarisering, amplifikation og udlæsning ved at manipulere de eksperimentelle forhold, såsom rubidium atom polariseret laser og xenon atom bias magnetfelt, så xenon kernen spinder i en mørk tilstand under kvanteamplifikationsprocessen, som er fri for interferens fra polariserede rubidiumatomer og udøver mere potentiale for kvanteamplifikation.

Forskerne fandt ud af, at spinkohærenstiden for en xenonkerne i mørk tilstand i dette system er så lang som 6 minutter, hvilket er en størrelsesorden højere end før. Den observerede forstærkning af det længere mørke spin på det svage magnetiske signal blev forstærket med omkring 5.400 gange. Som en applikation indser kombinationen af ​​mørk spin-forstærkning og atommagnetometer, at det mindste detekterbare magnetfelt når sub-femtotesla-niveauet (1fT =10 ^-15 T) i en enkelt måling (ca. 500 sekunder).

Dette arbejde kaster lys over biomedicinske felter såsom hjerte-hjerne magnetisk diagnose, ekstremt svag magnetfeltmåling af kemiske molekyler og påvisning af mørkt stof.

Forskerholdet blev ledet af prof. Peng Xinhua og associeret prof. Jiang Min fra University of Science and Technology China (USTC) fra China Academy of Sciences (CAS).