Deze studie werd geleid door Prof. Xinhua Peng en Prof. Min Jiang, die zich al vele jaren toeleggen op het ontwikkelen van op spin gebaseerde kwantumtechnologieën voor de detectie van zwakke magnetische velden.

De onderzoekers gebruikten een dampcel met ruimtelijke overlappende kernspins van edelgas (bijvoorbeeld xenon-129) en atomaire spins van alkali-mentale atomen (bijvoorbeeld rubidium-87) om ultragevoelige kwantumsensoren te maken voor de detectie van zwakke magnetische velden.

Voor het eerst ontdekten ze dat de kernspins kunnen fungeren als een voorversterker die een coherent oscillerend gemeten magnetisch veld effectief met ten minste twee ordes van grootte verbetert.

Ze toonden het vermogen van de op spin gebaseerde versterker om de foton-shot-ruislimiet van de rubidium-magnetometer zelf te overtreffen, en naderde de spin-projectie-ruislimiet van de laatste. Deze ontdekking moedigde hen aan om een ​​ultrahoge magnetische gevoeligheid van femtotesla-niveau te bereiken, die aanzienlijk betere prestaties heeft dan die van andere magnetometers die zijn aangetoond met nucleaire spins die beperkt zijn tot de gevoeligheid van een paar picotesla.

Vervolgens breidden ze de spin-amplificatie uit in het Floquet-systeem, dat gelijktijdig meerdere magnetische velden kan verbeteren en meten met ten minste één verbetering van de orde van grootte, wat de mogelijkheid biedt van metingen op femtotesla-niveau. Bovendien ontwikkelden ze een nieuwe "Floquet-maser" op dit hybride systeem van nucleaire en atomaire spins, die Floquet-maser-magnetometrie op femtotesla-niveau mogelijk maakt voor ~mHz ultralage frequentie. De bereikte magnetische gevoeligheid bereikt ~700fT/Hz ^1/2 onder 60 mHz, wat tot nu toe de hoogste magnetische gevoeligheid is in het millihertz-bereik.

Deze technieken zullen laboratoriumexperimenten mogelijk maken om de grenzen van de fundamentele fysica te verkennen. Nieuwe deeltjes en krachten kunnen een exotisch magnetisch veld genereren dat oscilleert met zijn Compton-frequentie op de kern (bijvoorbeeld xenon), dat kan worden versterkt en vervolgens kan worden gedetecteerd door deze kwantumsensor met spinversterking.

Ze voerden een reeks experimenten uit en de bereikte beperkingen op de sterke punten van deze exotische interacties zijn aanzienlijk beter dan de vorige laboratoriumproeven. Voor ultralichte axion-achtige donkere materie verbeteren ze bijvoorbeeld de eerdere laboratoriumbeperkingen met ten minste vijf ordes van grootte, en voor de eerste keer overschreed de nieuwe beperking de grenzen van astrofysische waarnemingen. Voor spin-afhankelijke interacties gemedieerd door axionen en andere nieuwe lichte bosonen, verbeterden ze eerdere limieten met maximaal twee ordes van grootte.

Deze technieken en toepassingen, als een interessant huwelijk tussen kwantumdetectietechnieken en de test van fundamentele fysica (traditioneel in de deeltjesfysica), zijn aantrekkelijk voor algemene natuurkundigen. In de toekomst zullen de spin-amplificatietechnieken de komende jaren enorm vorderen en nieuw licht werpen op toepassingen van kwantummetrologie, onderzoek naar de dynamiek van de geomagnetische velden en kwantuminformatieverwerking tot het onderzoeken van nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science China Information Sciences . + Verder verkennen

Nieuwe spinversterker versnelt zoektocht naar donkere materie