Onderzoekers hebben een eenvoudige maar krachtige manier ontdekt om atomen te beschermen tegen het verliezen van informatie - Een belangrijke uitdaging bij het ontwikkelen van betrouwbare kwantumtechnologieën.
Door een enkele, zorgvuldig afgestemde laserstraal op een gas van atomen te schijnen, slaagden ze erin om de interne spins van de atomen gesynchroniseerd te houden, waardoor de snelheid waarmee informatie is verloren, drastisch vermindert. In kwantumsensoren en geheugensystemen verliezen atomen vaak hun magnetische oriëntatie - of "spin" - wanneer ze met elkaar of de wanden van hun container botsen.
Dit fenomeen, bekend als spin -ontspanning, beperkt de prestaties en stabiliteit van dergelijke apparaten ernstig. Traditionele methoden om tegen te gaan, hebben nodig om te werken in extreem lage magnetische velden en het gebruik van omvangrijke magnetische afscherming.
De nieuwe methode omzeilt die beperkingen volledig. In plaats van het systeem magnetisch te beschermen, gebruikt het licht om subtiel de atomaire energieniveaus te verschuiven, de spins van de atomen uit te lijnen en ze synchroon te houden, zelfs terwijl ze bewegen en botsen. Dit creëert een meer veerkrachtige spin -toestand die van nature wordt beschermd tegen decoherentie.
In laboratoriumexperimenten met warme cesiumdamp verminderde de techniek het spin -verval met een factor 10 en verbeterde de magnetische gevoeligheid aanzienlijk. Deze doorbraak toont aan dat een enkele lichtstraal de coherentietijd van atomaire spins kan verlengen, waardoor de deur wordt geopend voor compactere, nauwkeurige en robuuste kwantumsensoren, magnetometers en geheugenapparaten.
Een team van natuurkundigen van de afdeling Applied Physics en Centre for Nanoscience and Nanotechnology van de Hebreeuwse universiteit, in samenwerking met de School of Applied and Engineering Physics aan de Cornell University, heeft een krachtige nieuwe methode onthuld om atomaire spins en navigatiesystemen te beschermen.
De studie, "Optische bescherming van alkali - metaalatomen uit spin -ontspanning", door Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, Prof. Ori Katz (Hebreeuwse Universiteit), en Prof. of Katz (Cornell University), is gepubliceerd inFysieke beoordelingsbrievenen kan mogelijk een revolutie teweegbrengen in velden die afhankelijk zijn van magnetische detectie en atoomcoherentie.
Atomen met ongepaarde elektronen - zoals die in cesiumdamp - hebben een eigenschap van "spin", interactie met magnetische velden en kunnen daarom worden gebruikt voor ultra - gevoelige metingen van magnetische velden, zwaartekracht en zelfs hersenactiviteit. Maar deze spins zijn notoir kwetsbaar.
Zelfs de kleinste verstoring van omliggende atomen of containerwanden kan ervoor zorgen dat ze hun oriëntatie verliezen, een proces dat bekend staat als spin -ontspanning. Tot nu toe heeft het beschermen van deze spins tegen dergelijke interferentie gecompliceerde opstellingen vereist of alleen onder zeer specifieke omstandigheden gewerkt. De nieuwe methode verandert dat.
Laserlicht als een schild
De onderzoekers ontwikkelden een techniek die een enkele, nauwkeurig afgestemde laserstraal gebruikt om de precessie van atomaire spins in het magnetische veld - te synchroniseren, zelfs terwijl de atomen constant met elkaar en hun omgeving botsen.
Stel je een scenario voor waarin honderden kleine draaiende tops in een doos zijn opgesloten. Meestal kunnen de interacties tussen deze tops hun spinconfiguraties verstoren, waardoor het hele systeem uit synchroon valt. Dit effect wordt veel dominanter in hoge magnetische velden, als het topsproces en hun oriëntatie veel sneller veranderen.
Een specifieke methode maakt echter gebruik van licht om synchronisatie binnen het systeem te handhaven. Door de verschillen in de verschillende spinconfiguraties aan te pakken, houdt het licht effectief alle tops die in harmonie draaien, waardoor stoornissen worden voorkomen en coöperatief gedrag mogelijk maken bij de draaiende entiteiten, zelfs op hoge magnetische velden. Deze aanpak benadrukt het fascinerende samenspel tussen licht en atomaire spin -dynamiek.
De onderzoekers bereikten een negen {- vouwverbetering in hoe lang cesiumatomen hun spinoriëntatie handhaafden. Opmerkelijk is dat deze bescherming werkt, zelfs wanneer de atomen speciale anti - ontspanning - gecoate celwanden en het ervaren van frequente interne botsingen afzetten.
Real - wereldpotentieel
Deze techniek kan apparaten aanzienlijk verbeteren die afhankelijk zijn van atomaire spins, waaronder:
Kwantumsensoren en magnetometers die worden gebruikt bij medische beeldvorming, archeologie en ruimte -exploratie
Precisie -navigatiesystemen die niet afhankelijk zijn van GPS
Quantum -informatieplatforms waarbij spinstabiliteit de sleutel is tot het opslaan en verwerken van informatie
Omdat de methode in "warme" omgevingen werkt en geen extreme koeling of gecompliceerde veldafstemming vereist, kan het praktischer zijn voor echte - wereldtoepassingen dan bestaande benaderingen.
"Deze aanpak opent een nieuw hoofdstuk bij het beschermen van kwantumsystemen tegen lawaai", aldus de onderzoekers. "Door de natuurlijke beweging van atomen te benutten en licht als stabilisator te gebruiken, kunnen we nu samenhang behouden over een breder scala van omstandigheden dan ooit tevoren."
Het onderzoek bouwt voort op tientallen jaren werk in atomaire fysica, maar deze eenvoudige, elegante oplossing - Het gebruik van licht om atomen te coördineren - is een sprong voorwaarts. Het kan in de nabije toekomst de weg vrijmaken voor meer robuuste, nauwkeurige en toegankelijke kwantumtechnologieën.
