Ein Forscherteam hat zum ersten Mal die Quantenverstärkung eines extrem schwachen Magnetfelds mithilfe von Dunkelspin realisiert, wobei die Magnetfeldverstärkung den Faktor 5.000 übersteigt und die Genauigkeit der Messung eines einzelnen Magnetfelds das Niveau von 0,1 fT erreicht. Die Studie ist veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Die Quantenverstärkung ist ein wirksames Mittel, um eine präzise Messung eines schwachen elektromagnetischen Feldes zu erreichen. Die Leistung der Spin-Quantenverstärkung ist jedoch aufgrund der Einschränkungen bei der Initialisierung des Gasspins, der Kohärenzzeit und der Ausleseempfindlichkeit begrenzt. Die Überwindung dieser Einschränkungen ist sehr wichtig, um das volle Potenzial der Quantenverstärkung auszuschöpfen.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, haben Forscher das Konzept der Spinquantenverstärkung im Dunkelzustand vorgeschlagen und Experimente im gemischten System aus gasförmigen Xenon- und Rubidiumatomen durchgeführt. In diesem System werden gasförmige Xenon-Atome als Verstärkungsmedium und per Laser polarisierte Rubidium-Atome als Polarisations- und Auslesemittel für den Xenon-Kernspin verwendet.
Im Gegensatz zu früheren Experimenten, bei denen sich die gemischten Gasatome im selben Raum befinden, finden die Prozesse der Polarisation, Verstärkung und Auslesung meist gleichzeitig statt. Die Forscher in diesem Artikel haben einen neuen Weg gefunden, die Prozesse der Polarisation, Verstärkung und Auslesung zu trennen, indem sie die experimentellen Bedingungen manipulieren, wie z. B. einen polarisierten Rubidium-Atom-Laser und ein Xenon-Atom-Vormagnetisierungsfeld, so dass sich der Xenon-Kern währenddessen in einem dunklen Zustand dreht der Quantenverstärkungsprozess, der frei von Störungen durch polarisierte Rubidiumatome ist und ein größeres Potenzial für die Quantenverstärkung bietet.
Die Forscher fanden heraus, dass die Spinkohärenzzeit eines Xenonkerns im dunklen Zustand in diesem System bis zu 6 Minuten beträgt, was eine Größenordnung länger ist als zuvor. Der beobachtete Gewinn des längeren dunklen Spins beim schwachen magnetischen Signal wurde um etwa das 5.400-fache verstärkt. Als Anwendung realisiert die Kombination aus Dunkelspinverstärkung und Atommagnetometer, dass das minimal nachweisbare Magnetfeld in einer einzigen Messung (etwa 500 Sekunden) den Sub-Femtotesla-Wert (1fT = 10-15T) erreicht.
Diese Arbeit beleuchtet biomedizinische Bereiche wie die Herz-Hirn-Magnetdiagnose, die Messung extrem schwacher Magnetfelder chemischer Moleküle und die Erkennung dunkler Materie.
Das Forschungsteam wurde von Prof. Peng Xinhua und Associate Prof. Jiang Min von der University of Science and Technology China (USTC) der China Academy of Sciences (CAS) geleitet.
Mehr Informationen:
Min Jiang et al., Beobachtung der magnetischen Verstärkung mithilfe dunkler Spins, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2315696121
Bereitgestellt von der University of Science and Technology of China