Forskere har oppdaget en enkel, men kraftig måte å beskytte atomer mot å miste informasjon - en viktig utfordring i å utvikle pålitelige kvanteteknologier.
Ved å skinne en enkelt, nøye innstilt laserstråle på en gass av atomer, klarte de å holde atomenes indre spinn synkronisert, og reduserte hastigheten dramatisk. I kvantesensorer og minnesystemer mister atomer ofte sin magnetiske orientering - eller "spinn" - når de kolliderer med hverandre eller veggene i beholderen.
Dette fenomenet, kjent som spinnavslapping, begrenser ytelsen og stabiliteten til slike enheter alvorlig. Tradisjonelle metoder for å motvirke det har krevd å operere i ekstremt lave magnetfelt og bruke klumpete magnetisk skjerming.
Den nye metoden er helt i nærheten av disse begrensningene. I stedet for magnetisk å beskytte systemet, bruker det lys for å skifte atomenerginivåer subtilt, justere atomene på atomene og holde dem i synk, selv når de beveger seg og kolliderer. Dette skaper en mer spenstig spinntilstand som naturlig er beskyttet mot dekoherens.
I lab -eksperimenter med varm cesiumdamp reduserte teknikken spinnforfall med en faktor på 10 og forbedret magnetisk følsomhet betydelig. Dette gjennombruddet viser at en enkelt lysstråle kan utvide koherenstiden for atomspinn, og åpner døren for mer kompakte, nøyaktige og robuste kvantesensorer, magnetometre og minneenheter.
Et team av fysikere fra det hebraiske universitetets avdeling for anvendt fysikk og senter for nanovitenskap og nanoteknologi, i samarbeid med School of Applied and Engineering Physics ved Cornell University, har avduket en kraftig ny metode for å beskytte atomiske spinn fra miljøet "støy" -} en hovedtrinn.
Studien, "Optical Protection of Alkali - metallatomer fra spinnavslapping," av Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, prof. Ori Katz (Hebrew University), og prof. Eller Katz (Cornell University), har blitt publisert iFysiske gjennomgangsbrevog kan potensielt revolusjonere felt som er avhengig av magnetisk sensing og atomkoherens.
Atomer med uparede elektroner - slik som de i cesiumdamp - har en egenskap "spinn", interagerer sterkt med magnetiske felt og kan derfor brukes til ultra - sensitive målinger av magnetiske felt, tyngde og til og med hjerneaktivitet. Men disse spinnene er notorisk skjøre.
Selv den minste forstyrrelsen fra omkringliggende atomer eller beholdervegger kan føre til at de mister orienteringen, en prosess kjent som spinnavslapping. Til nå har beskyttelse av disse spinnene mot slik interferens krevd kompliserte oppsett eller bare arbeidet under veldig spesifikke forhold. Den nye metoden endrer det.
Laserlys som et skjold
Forskerne utviklet en teknikk som bruker en enkelt, nøyaktig innstilt laserstråle for å synkronisere presesjonen av atomspinn i magnetfeltet - selv når atomene stadig kolliderer med hverandre og omgivelsene.
Se for deg et scenario der hundrevis av bittesmå spinnende topper er innesperret i en boks. Vanligvis kan interaksjonene mellom disse toppene forstyrre spinnkonfigurasjonene sine, noe som får hele systemet til å falle ut av synkronisering. Denne effekten blir mye mer dominerende i høye magnetiske felt, ettersom toppen behandler og endrer orienteringen mye raskere.
Imidlertid bruker en spesifikk metode lys for å opprettholde synkronisering i systemet. Ved å adressere forskjellene i de forskjellige spinnkonfigurasjonene, holder lyset effektivt alle toppene snurrer i harmoni, forhindrer uorden og muliggjør samarbeidsatferd blant de spinnende enhetene, selv ved høye magnetfelt. Denne tilnærmingen fremhever det fascinerende samspillet mellom lys- og atomspinndynamikk.
Forskerne oppnådde en ni - fold forbedring i hvor lange cesiumatomer opprettholdt sin spinnorientering. Bemerkelsesverdig er at denne beskyttelsen fungerer selv når atomene spretter av spesiell anti - avslapning - belagte cellevegger og opplever hyppige indre kollisjoner.
Ekte - verdenspotensial
Denne teknikken kan forbedre enheter som er avhengige av atomspinn betydelig, inkludert:
Kvantesensorer og magnetometre brukt i medisinsk avbildning, arkeologi og romutforskning
Presisjonsnavigasjonssystemer som ikke er avhengige av GPS
Kvanteinformasjonsplattformer der spinnstabilitet er nøkkelen til lagring og behandling av informasjon
Fordi metoden fungerer i "varme" miljøer og ikke krever ekstrem kjøling eller komplisert feltinnstilling, kan det være mer praktisk for ekte - verdensapplikasjoner enn eksisterende tilnærminger.
"Denne tilnærmingen åpner et nytt kapittel for å beskytte kvantesystemer mot støy," sa forskerne. "Ved å utnytte den naturlige bevegelsen av atomer og bruke lys som stabilisator, kan vi nå bevare sammenheng over et bredere spekter av forhold enn noen gang før."
Forskningen bygger på flere tiår med arbeid i atomfysikk, men denne enkle, elegante løsningen - ved bruk av lys for å koordinere atomer - er et sprang fremover. Det kan bane vei for mer robuste, nøyaktige og tilgjengelige kvanteteknologier i løpet av en nær fremtid.
