Sensoren verzamelen bepaalde parameters zoals temperatuur en luchtdruk in hun nabijheid. Natuurkundigen uit Kaiserslautern en een collega uit Hannover zijn er voor het eerst in geslaagd om een ​​enkel cesiumatoom als sensor voor ultrakoude temperaturen te gebruiken. Om de meetgegevens te bepalen, ze gebruikten kwantumtoestanden - de spin of het impulsmoment van het atoom. Met deze spins ze maten de temperatuur van een ultrakoud gas en het magnetische veld. Het systeem wordt gekenmerkt door een bijzonder hoge gevoeligheid. Dergelijke sensoren kunnen in de toekomst worden gebruikt, bijvoorbeeld, om kwantumsystemen te onderzoeken zonder interferentie. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

In hun experimenten, wetenschappers onder leiding van professor Dr. Artur Widera, die kwantumsystemen bestudeert, waargenomen individuele cesiumatomen in een rubidiumgas afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. De temperatuur ligt slechts een miljardste van een fractie van een graad boven dit nulpunt. In hun huidige studie ze hebben onderzocht of de spintoestanden van het cesiumatoom gebruikt kunnen worden om informatie te verkrijgen. "De term spin verwijst naar het intrinsieke impulsmoment van een atoom, " legt professor Widera van de Technische Universität Kaiserslautern (TUK) uit. "In cesium, er zijn zeven verschillende oriëntaties voor deze spin." Het onderzoek richtte zich op de gastemperatuur.

Zodra het enkele cesiumatoom in het rubidiumgas is geïntroduceerd, de rubidiumatomen botsen ermee. "Hierdoor kan impulsmoment worden uitgewisseld tussen de atomen totdat een balans van spin is bereikt, " legt Dr. Quentin Bouton uit, hoofdwetenschapper en eerste auteur van de studie. De onderzoekers meten de spin van het individuele atoom en kunnen zo de temperatuur bepalen. Door deze methode te vergelijken met conventionele meetmethoden, waar natuurkundigen dezelfde temperatuurwaarde verkrijgen, bevestigt het succes.

Het bijzondere van het onderzoek was de hoge gevoeligheid van de meting. In een typische meting, het is noodzakelijk om de sensor in contact te brengen met het koude gas en te wachten tot het evenwicht is bereikt. "In feite, voor kwantumsensoren, er is een fundamentele grens aan hun gevoeligheid in evenwicht. Echter, we hebben vooraf informatie opgenomen over de interacties tussen cesium en rubidium, dus we hoefden niet te wachten tot het atoom in evenwicht was met het rubidiumgas, " vervolgt Bouton. Als gevolg hiervan, het meetsysteem van de Kaiserslautern-onderzoekers heeft een gevoeligheid die ongeveer 10 keer hoger is dan de fundamentele kwantumlimiet vereist.

"We hadden slechts drie spin-uitwisselingsprocessen nodig - met andere woorden, drie atoombotsingen - om tot een resultaat te komen, "Bouton gaat verder. Dus, de verstoring van het rubidiumgas is ook beperkt tot drie quanta. Dit is een belangrijke stap in de richting van het meten van gevoelige kwantumsystemen met zo min mogelijk verstoring, wat van belang is voor toekomstige toepassingen in de kwantumtechnologie.

"Dit is de eerste keer dat we een enkel atoom hebben gebruikt als een sensor die kwantuminformatie gebruikt en aanzienlijk beter is dan een klassieke sensor, Wiera wijst erop. De natuurkundigen voerden dit experiment ook uit met magnetische velden en registreerden de magnetische toestanden. Deze nieuwe en zeer gevoelige sensor is geschikt, bijvoorbeeld, om fragiele kwantumsystemen bijna zonder vernietiging te onderzoeken.

Naast de werkgroep van prof. Widera, Professor Dr. Eberhard Tiemann uit Hannover was bij het werk betrokken.