Forskere har opdaget en enkel, men alligevel kraftfuld måde at beskytte atomer mod at miste information - en vigtig udfordring i udviklingen af pålidelige kvanteteknologier.
Ved at skinne en enkelt, omhyggeligt afstemt laserstråle på en gas af atomer, lykkedes de at holde atomernes interne spins synkroniserede, hvilket dramatisk reducerede den hastighed, hvormed information går tabt. I kvantesensorer og hukommelsessystemer mister atomer ofte deres magnetiske orientering - eller "spin" -, når de kolliderer med hinanden eller væggene i deres beholder.
Dette fænomen, kendt som spin -afslapning, begrænser alvorligt ydelsen og stabiliteten af sådanne enheder. Traditionelle metoder til at modvirke det har krævet at arbejde i ekstremt lave magnetiske felter og bruge voluminøs magnetisk afskærmning.
Den nye metode sidestiller disse begrænsninger helt. I stedet for at magnetisk afskærmes systemet, bruger det lys til subtilt at skifte atomenerginiveau, justere atomernes spins og holde dem synkroniseret, selvom de bevæger sig og kolliderer. Dette skaber en mere elastisk spin -tilstand, der er naturligt beskyttet mod decoherence.
I laboratorieeksperimenter med varm cæsiumdamp reducerede teknikken spin -henfald med en faktor på 10 og forbedrede markant magnetisk følsomhed. Dette gennembrud viser, at en enkelt lysstråle kan forlænge sammenhængstiden for atomiske spins, åbne døren til mere kompakte, nøjagtige og robuste kvantesensorer, magnetometre og hukommelsesenheder.
Et team af fysikere fra det hebraiske universitets afdeling for anvendt fysik og center for nanovidenskab og nanoteknologi, i samarbejde med skolen for anvendt og ingeniørfysik ved Cornell University, har afsløret en stærk ny metode til at beskytte atomiske spins fra miljøet "støj" - et stort skridt mod at forbedre præcisionen og varigheden af teknologier, der ligner kvantes sensorer og navigationssystemer.
Undersøgelsen "Optisk beskyttelse af alkali - metalatomer fra spin -afslapning" af Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, prof. Ori Katz (hebraisk universitet), og prof. Eller Katz (Cornell University) er blevet offentliggjort iFysiske gennemgangsbreveog kan potentielt revolutionere felter, der afhænger af magnetisk sensing og atomisk kohærens.
Atomer med uparrede elektroner - såsom dem i cæsiumdamp - har en egenskab af "spin", interagerer stærkt med magnetiske felter og kan derfor bruges til ultra - følsomme målinger af magnetiske felter, tyngdekraft og endda hjerneaktivitet. Men disse spins er notorisk skrøbelige.
Selv den mindste forstyrrelse fra omgivende atomer eller containervægge kan få dem til at miste deres orientering, en proces, der kaldes spin afslapning. Indtil nu har beskyttelse af disse spins mod sådan interferens krævet komplicerede opsætninger eller arbejdet kun under meget specifikke forhold. Den nye metode ændrer det.
Laserlys som et skjold
Forskerne udviklede en teknik, der bruger en enkelt, nøjagtigt afstemt laserstråle til at synkronisere præcessionen af atomiske spins i magnetfeltet -, selv når atomerne konstant kolliderer med hinanden og deres omgivelser.
Forestil dig et scenarie, hvor hundreder af små spinding toppe er begrænset i en kasse. Typisk kan interaktionerne mellem disse toppe forstyrre deres spin -konfigurationer, hvilket får hele systemet til at falde ud af synkronisering. Denne effekt bliver meget mere dominerende i høje magnetiske felter, da TOPS -processen og ændrer deres orientering meget hurtigere.
Imidlertid anvender en specifik metode lys til at opretholde synkronisering i systemet. Ved at tackle forskellene i de forskellige spin -konfigurationer holder lyset effektivt alle toppe i harmoni, forhindrer lidelse og muliggør samarbejdsadfærd blandt de spindende enheder, selv ved høje magnetiske felter. Denne tilgang fremhæver det fascinerende samspil mellem lys og atomisk spin -dynamik.
Forskerne opnåede en ni - fold forbedring af hvor længe cæsiumatomer opretholdt deres spinorientering. Bemærkelsesværdigt fungerer denne beskyttelse, selv når atomerne hopper af specielle anti - afslapning - coatede cellevægge og oplever hyppige interne kollisioner.
Ægte - verdenspotentialet
Denne teknik kunne markant forbedre enheder, der er afhængige af atomiske spins, herunder:
Kvantesensorer og magnetometre, der bruges til medicinsk billeddannelse, arkæologi og rumudforskning
Præcisionsnavigationssystemer, der ikke er afhængige af GPS
Quantum Information Platforms, hvor spin -stabilitet er nøglen til lagring og behandling af oplysninger
Fordi metoden fungerer i "varme" miljøer og ikke kræver ekstrem afkøling eller kompliceret feltindstilling, kan den være mere praktisk for reelle - verdensapplikationer end eksisterende tilgange.
"Denne tilgang åbner et nyt kapitel til beskyttelse af kvantesystemer mod støj," sagde forskerne. "Ved at udnytte atomernes naturlige bevægelse og ved hjælp af lys som stabilisator, kan vi nu bevare sammenhængen på tværs af en bredere vifte af forhold end nogensinde før."
Forskningen bygger på årtiers arbejde i atomfysik, men denne enkle, elegante løsning - ved hjælp af lys til at koordinere atomer - er et spring fremad. Det kan bane vejen for mere robust, nøjagtige og tilgængelige kvanteteknologier i den nærmeste fremtid.
