Een onderzoeksteam heeft voor het eerst de kwantumversterking van een extreem zwak magnetisch veld gerealiseerd door gebruik te maken van donkere spin, waarbij de vergroting van het magnetische veld een factor 5.000 overschrijdt en de meetnauwkeurigheid van het enkele magnetische veld een niveau van 0,1 fT bereikt. Het onderzoek is gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences .

Kwantumversterking is een effectief middel om een ​​nauwkeurige meting van een zwak elektromagnetisch veld te bereiken, maar de prestaties van spin-kwantumversterking zijn beperkt vanwege de beperkingen van de initialisatie van gasvormige spin, de coherentietijd en de uitleesgevoeligheid. Het overwinnen van deze beperkingen is erg belangrijk om het volledige potentieel van kwantumversterking te kunnen benutten.

Om de bovengenoemde problemen op te lossen, hebben onderzoekers het concept van spin-kwantumamplificatie in de donkere toestand naar voren gebracht en experimenten uitgevoerd in het gemengde systeem van gasvormige xenon- en rubidiumatomen. In dit systeem worden gasvormige xenonatomen gebruikt als versterkingsmedium, en door laser gepolariseerde rubidiumatomen als polarisatie- en uitleesmiddel voor xenonkernspin.

In tegenstelling tot eerdere experimenten waarbij de gemengde gasatomen zich in dezelfde ruimte bevinden, worden de processen van polarisatie, versterking en uitlezing meestal tegelijkertijd uitgevoerd. De onderzoekers in dit artikel hebben een nieuwe manier gevonden om de processen van polarisatie, versterking en uitlezing te scheiden door de experimentele omstandigheden te manipuleren, zoals het rubidiumatoom gepolariseerde laser- en xenon-atoom bias-magneetveld, zodat de xenonkern in een donkere toestand draait tijdens het kwantumversterkingsproces, dat vrij is van interferentie van gepolariseerde rubidiumatomen en meer mogelijkheden voor kwantumversterking biedt.

De onderzoekers ontdekten dat de spincoherentietijd van een xenonkern in donkere toestand in dit systeem maar liefst 6 minuten bedraagt, wat een orde van grootte hoger is dan voorheen. De waargenomen versterking van de langere donkere spin op het zwakke magnetische signaal werd ongeveer 5.400 keer versterkt. Als toepassing realiseert de combinatie van donkere spin-versterking en atomaire magnetometer dat het minimaal detecteerbare magnetische veld het sub-femtotesla-niveau bereikt (1fT =10 ^-15 T) in één enkele meting (ongeveer 500 seconden).

Dit werk werpt licht op biomedische velden zoals de magnetische diagnose van het hart en de hersenen, de meting van extreem zwakke magnetische velden van chemische moleculen en de detectie van donkere materie.

Het onderzoeksteam werd geleid door prof. Peng Xinhua en universitair hoofddocent Jiang Min van de University of Science and Technology China (USTC) van de China Academy of Sciences (CAS).