In een studie gepubliceerd in Natuurkunde beoordelingsbrieven en gemarkeerd door APS-fysica , ICFO-onderzoekers demonstreren een nieuwe techniek voor de coherente detectie van radiofrequente magnetische velden met behulp van een atomaire magnetometer. Ze gebruikten zeer gevoelige, niet-destructieve metingen om de atomen te verstrengelen met behoud van hun collectieve samenhang, en een nieuwe techniek om de coherente opbouw van signaal van willekeurig gevormde golfvormen mogelijk te maken.

In dit onderzoek, ICFO-onderzoekers Ferran Martin Ciurana, Dr. Giorgio Colangelo, Dr. Rob Sewell, onder leiding van prof. Morgan Mitchell, gevangen een ensemble van meer dan een miljoen rubidium-atomen die met een laser werden gekoeld tot 16°K, bijna het absolute nulpunt. Ze pasten een statisch magnetisch veld toe op de ingesloten atomen om de atomaire spins synchroon (coherent) te laten preceseren (roteren) met een precieze frequentie van 42,2 kHz, die zich binnen de lage frequentieband bevindt die wordt gebruikt voor AM-radio-uitzendingen. Vervolgens pasten ze een zwak resonant radiofrequentieveld toe in een orthogonale richting, die de atomaire spin-precessie verstoorde - dit was het signaal dat ze wilden detecteren.

In een standaard RF-magnetometer, de atomaire spins mogen enige tijd vrij evolueren onder invloed van deze verstoring om de coherente opbouw van het signaal mogelijk te maken voordat de verandering in de atomaire toestand wordt gedetecteerd. Typisch, deze techniek is alleen gevoelig voor een RF-veld dat met een vaste resonantiefrequentie wordt aangelegd.

In dit onderzoek, de auteurs gebruikten twee technieken om hun meting te verbeteren. Eerst, ze gebruikten stroboscopische kwantum niet-sloopmetingen om een ​​verstrengelde atomaire spintoestand voor te bereiden aan het begin van de detectiereeks. Hierdoor konden ze de kwantumruis van de atomen verminderen, en de gevoeligheid van de magnetometer te verbeteren tot voorbij de standaard kwantumlimiet.

Tweede, ze gebruikten een nieuwe techniek die in de groep was ontwikkeld om de coherente detectie van een RF-veld met een veranderende frequentie mogelijk te maken - zoals wordt gebruikt, bijvoorbeeld, in een FM-radio-uitzending. Tijdens de vrije evolutietijd, ze gebruikten het aangelegde statische magnetische veld om de resonantiefrequentie van de atomen continu te verschuiven om overeen te komen met de veranderende frequentie van het RF-veld. Hierdoor konden de atomen een coherent signaal opbouwen van een enkele willekeurige RF-golfvorm, terwijl ongewenste signalen van orthogonale golfvormen worden geblokkeerd.

Vervolgens detecteerden ze de verstoorde atomen met behulp van een tweede stroboscopische kwantum niet-sloopmeting om het signaal te meten als gevolg van het RF-veld, en verifieer de verstrengeling tussen de atomaire spins.

De onderzoekers demonstreerden hun techniek door een lineair getjilpt RF-veld te detecteren met een gevoeligheid boven de standaard kwantumlimiet. Ze waren in staat om het zwakke RF-magneetveldsignaal te meten met een vermindering van 25 procent in experimentele ruis als gevolg van de kwantumverstrengeling van de atomen, en een gevoeligheid die vergelijkbaar is met de beste tot nu toe gebruikte RF-magnetometers.

De techniek kan toepassingen hebben, waaronder de detectie van biomagnetische velden, karakterisering van micro-elektronica, en zoekt naar buitenaardse beschavingen.