Detectie van zwakke signalen is een cruciale stap in de verificatie van natuurkundige hypothesen en het maken van doorbraken in baanbrekend en fundamenteel natuurkundig onderzoek. Als de signalen echter te zwak zijn om te meten, moeten ze worden verbeterd. Een aantrekkelijke manier om de signalen te versterken is kwantumversterking. De state-of-the-art kwantumversterkingstechnieken hebben nog steeds enkele beperkingen omdat ze afhankelijk zijn van de inherente discrete toestandsovergangen van atomen en moleculen en daarom geen afstembaarheid hebben, waarbij meestal slechts één signaal binnen een smal frequentiebereik wordt verbeterd.

Om dit probleem op te lossen, heeft het onderzoeksteam onder leiding van Prof. Peng Xinhua van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen, in samenwerking met Prof. Dmitry Budker van het Helmholtz Instituut in Mainz, de kwantumversterking uitgebreid tot periodiek aangedreven spins. Het resultaat is gepubliceerd in Physical Review Letters .

Periodiek aangedreven systemen, of Floquet-systemen, worden beschreven door tijdsafhankelijke, periodieke Hamiltonianen. Een Floquet-systeem heeft energieniveaus met gelijke energiehiaten, en de toestand van het systeem kan tussen verschillende energieniveaus springen via resonantie-overgangen. De combinatie van kwantumversterking en het Floquet-systeem is veelbelovend bij het overwinnen van de beperkingen van conventionele kwantumversterkingsmethoden.

De onderzoekers reden periodiek ¹²⁹ Xe edelgas met een oscillerend veld. De Hamiltonianen van ¹²⁹ Xe-spins werden toen tijdperiodiek en het systeem kreeg extra synthetische dimensies, wat resonantie-overgangen in een breder frequentiebereik mogelijk maakt. Met deze ¹²⁹ Xe Floquet-spinsysteem, hebben onderzoekers de versterking van meerdere zwakke elektromagnetische golven tegelijk aangetoond, zowel in theorie als experiment.

Dit werk breidt kwantumamplificatie uit tot Floquet-systemen en observeert een nieuw type amplificatiefenomeen:Floquet-spinamplificatie. Het overwint grotendeels de beperkingen van conventionele versterkers, vergroot de bedrijfsbandbreedte bij metingen op femtotesla-niveau en maakt het in de tussentijd mogelijk om meer dan één signaal op verschillende frequenties te versterken. Deze Floquet-versterker maakt een breed scala aan toepassingen mogelijk in precisiemetingen en in de studie van fundamentele fysica. + Verder verkennen

Onderzoekers observeren interferentie-effect tussen Floquet quasi-deeltjes met behulp van strontium optische roosterklok