Een manier om de apparaten die worden gebruikt in kwantumdetectiesystemen te verkleinen, is ontwikkeld door onderzoekers van de Britse Quantum Technology Hub Sensors and Timing, die wordt geleid door de Universiteit van Birmingham.

Sensoren hebben een groot aantal industriële toepassingen, van het uitvoeren van grondonderzoek tot het monitoren van vulkanen. Wetenschappers die werken aan manieren om de mogelijkheden van deze sensoren te verbeteren, gebruiken nu kwantumtechnologieën, gebaseerd op koude atomen, om hun gevoeligheid te verbeteren.

Machines ontwikkeld in laboratoria met behulp van kwantumtechnologie, echter, zijn omslachtig en moeilijk te vervoeren, waardoor huidige ontwerpen ongeschikt zijn voor de meeste industriële toepassingen.

Het team van onderzoekers heeft een nieuwe aanpak gebruikt waarmee kwantumsensoren kunnen krimpen tot een fractie van hun huidige grootte. Het onderzoek is uitgevoerd door een internationaal team onder leiding van de Universiteit van Birmingham en SUSTech in China in samenwerking met de Paderborn University in Duitsland. Hun resultaten zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De kwantumtechnologie die momenteel in detectieapparatuur wordt gebruikt, werkt door laserstralen fijn te regelen om atomen bij superkoude temperaturen te manipuleren en te manipuleren. Om dit te beheren, de atomen moeten zich in een vacuümkamer bevinden waar ze tot de gewenste temperatuur kunnen worden gekoeld.

Een belangrijke uitdaging bij het miniaturiseren van de instrumenten is het verminderen van de ruimte die nodig is voor de laserstralen, die meestal in drie paren moeten worden gerangschikt, onder hoeken gezet. De lasers koelen de atomen door fotonen af ​​te vuren tegen het bewegende atoom, zijn momentum te verlagen en daardoor af te koelen.

De nieuwe bevindingen laten zien hoe een nieuwe techniek kan worden gebruikt om de benodigde ruimte voor het laserafgiftesysteem te verminderen. De methode maakt gebruik van apparaten die optische metasurfaces worden genoemd - vervaardigde structuren die kunnen worden gebruikt om licht te regelen.

Een metasurface optische chip kan worden ontworpen om een ​​enkele straal te buigen in vijf afzonderlijke, uitgebalanceerde en uniforme bundels die worden gebruikt om de atomen te onderkoelen. Deze enkele chip kan de complexe optische apparaten vervangen die momenteel het koelsysteem vormen.

Metasurface fotonische apparaten hebben de afgelopen jaren een reeks nieuwe onderzoeksactiviteiten geïnspireerd en dit is de eerste keer dat onderzoekers het potentieel ervan in kwantumapparaten met koude atomen hebben kunnen aantonen.

Dr. Yu-Hung Lien, hoofdauteur van de studie, zegt:"De missie van de UK Quantum Technology Hub is het leveren van technologieën die door de industrie kunnen worden overgenomen en gebruikt. Het ontwerpen van apparaten die klein genoeg zijn om draagbaar te zijn of die in industriële processen en praktijken passen, is van vitaal belang. Deze nieuwe benadering vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in deze aanpak."

Het team is erin geslaagd een optische chip te produceren met een diameter van slechts 0,5 mm, wat resulteert in een platform voor toekomstige detectieapparaten van ongeveer 30 cm in blokjes. De volgende stap is het optimaliseren van de grootte en de prestaties van het platform om de maximale gevoeligheid voor elke toepassing te produceren.