I sensori raccolgono determinati parametri come la temperatura e la pressione dell'aria nelle loro vicinanze. I fisici di Kaiserslautern e un collega di Hannover sono riusciti per la prima volta a utilizzare un singolo atomo di cesio come sensore per le temperature ultrafredde. Per determinare i dati misurati, usavano stati quantistici:lo spin o il momento angolare dell'atomo. Con questi giri, hanno misurato la temperatura di un gas ultrafreddo e il campo magnetico. Il sistema è caratterizzato da una sensibilità particolarmente elevata. Tali sensori potrebbero essere utilizzati in futuro, Per esempio, studiare i sistemi quantistici senza interferenze. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica X .

Nei loro esperimenti, scienziati guidati dal professor Dr. Artur Widera, chi studia i sistemi quantistici, osservato singoli atomi di cesio in un gas rubidio raffreddato quasi allo zero assoluto. La temperatura è solo un miliardesimo di frazione di grado sopra questo punto zero. Nel loro studio attuale, hanno studiato se gli stati di spin dell'atomo di cesio possono essere utilizzati per ottenere informazioni. "Il termine spin si riferisce al momento angolare intrinseco di un atomo, " spiega il professor Widera della Technische Universität Kaiserslautern (TUK). "Nel cesio, ci sono sette diversi orientamenti per questa rotazione." La ricerca si è concentrata sulla temperatura del gas.

Una volta che il singolo atomo di cesio viene introdotto nel gas rubidio, gli atomi di rubidio si scontrano con esso. "Ciò consente di scambiare momento angolare tra gli atomi fino a raggiungere un equilibrio di spin, " spiega il dottor Quentin Bouton, scienziato capo e primo autore dello studio. I ricercatori misurano lo spin del singolo atomo e possono quindi determinare la temperatura. Confrontando questo metodo con i metodi di misurazione convenzionali, dove i fisici ottengono lo stesso valore di temperatura, ne conferma il successo.

La particolarità dello studio è stata l'elevata sensibilità della misurazione. In una misurazione tipica, è necessario portare il sensore a contatto con il gas freddo e attendere il raggiungimento dell'equilibrio. "Infatti, per sensori quantistici, c'è un limite fondamentale alla loro sensibilità in equilibrio. Però, abbiamo incluso in anticipo informazioni sulle interazioni tra cesio e rubidio, quindi non abbiamo dovuto aspettare che l'atomo fosse in equilibrio con il gas rubidio, " Bouton continua. Di conseguenza, il sistema di misura dei ricercatori di Kaiserslautern ha una sensibilità che è circa 10 volte superiore a quella richiesta dal limite quantistico fondamentale.

"Avevamo solo bisogno di tre processi di scambio di spin, in altre parole, tre collisioni atomiche - per arrivare a un risultato, " Bouton continua. Così, anche la perturbazione del gas rubidio è limitata a tre quanti. Questo è un passo importante verso la misurazione di sistemi quantistici sensibili con il minor numero di perturbazioni possibile, che è di interesse per future applicazioni nella tecnologia quantistica.

"Questa è la prima volta che usiamo un singolo atomo come sensore che utilizza le informazioni quantistiche ed è significativamente migliore di un sensore classico, " sottolinea Widera. I fisici hanno anche condotto questo esperimento con campi magnetici e registrato gli stati magnetici. Questo sensore nuovo e altamente sensibile è adatto, Per esempio, per l'esame di sistemi quantistici fragili quasi senza distruzione.

Oltre al gruppo di lavoro del Professor Widera, Il professor Dr. Eberhard Tiemann di Hannover è stato coinvolto nel lavoro.