La risposta in frequenza del magnetometro 87Rb ai campi oscillanti lungo y, assistita da un amplificatore basato su spin 129Xe. I dati sperimentali (cerchi rossi) sono ottenuti scansionando le frequenze del campo ausiliario. La linea continua è l'adattamento teorico dei dati e concorda bene con l'esperimento. (b) Il fattore di amplificazione misurato a diverse frequenze di risonanza. La media è misurata per essere ≈ 128 ± 0,3. Credito:Science China Press
Questo studio è stato condotto dal Prof. Xinhua Peng e dal Prof. Min Jiang, che da molti anni si dedicano allo sviluppo di tecnologie quantistiche basate sullo spin per il rilevamento di deboli campi magnetici.
I ricercatori hanno utilizzato una cella di vapore contenente spin nucleari spaziali sovrapposti di gas nobile (ad esempio, xenon-129) e spin atomici di atomi alcalino-mentali (ad esempio, rubidio-87) per stabilire sensori quantistici ultrasensibili per il rilevamento di deboli campi magnetici.
Per la prima volta, hanno scoperto che gli spin nucleari possono agire come un preamplificatore che migliora efficacemente un campo magnetico misurato coerentemente oscillante di almeno due ordini di grandezza.
Sensibilità magnetica del magnetometro basato sull'amplificatore di spin. 18 fT/Hz1/2 si ottiene alla frequenza di Larmor 129Xe, che è oltre il limite di rumore del colpo di fotone e paragonabile al limite di rumore di proiezione di spin del magnetometro 87Rb stesso. (c) Sensibilità magnetica del magnetometro basato su Floquet-maser. Si ottiene 700 fT/Hz1/2 ed è attualmente la migliore sensibilità. Credito:Science China Press
Hanno mostrato la capacità dell'amplificatore basato sullo spin di superare il limite di rumore del fotone del magnetometro al rubidio stesso, avvicinandosi al limite di rumore di proiezione dello spin di quest'ultimo. Questa scoperta li ha incoraggiati a raggiungere una sensibilità magnetica ultraelevata del livello di femtotesla, che ha prestazioni significativamente migliori rispetto a quelle di altri magnetometri dimostrati con spin nucleari limitati alla sensibilità di pochi picotesla.
Quindi, hanno esteso l'amplificazione dello spin nel sistema Floquet, che può aumentare e misurare simultaneamente più campi magnetici con almeno un ordine di grandezza di miglioramento, offrendo la capacità di misurazioni a livello di femtotesla. Inoltre, hanno sviluppato un nuovo "Floquet maser" su questo sistema ibrido di spin nucleare e atomico, che consente la magnetometria Floquet maser a livello di femtotesla per una frequenza ultrabassa di ~ mHz. La sensibilità magnetica raggiunta raggiunge ~700fT/Hz 1/2 inferiore a 60 MHz, che è finora la più alta sensibilità magnetica nell'intervallo dei millihertz.
È stato dimostrato che la tecnica di amplificazione dello spin ricerca i segnali ALP nell'intervallo di frequenza da 2 a 180 Hz, corrispondente all'intervallo di massa dell'ALP da 8,3 a 744 feV. (a) Limiti sull'accoppiamento gaNN di materia oscura-nucleone simile a un assione. (b) Limiti sull'accoppiamento fotone-nucleone oscuro gdEDM. Credito:Science China Press
Queste tecniche consentiranno esperimenti "da tavolo" su scala di laboratorio per esplorare le frontiere della fisica fondamentale. Nuove particelle e forze possono generare un campo magnetico esotico che oscilla alla sua frequenza Compton sul nucleo (ad esempio, xeno), che può essere amplificato e quindi rilevato da questo sensore quantistico con amplificazione di spin.
Hanno condotto una serie di esperimenti e i vincoli raggiunti sui punti di forza di queste interazioni esotiche sono sostanzialmente migliori rispetto ai precedenti laboratori. Ad esempio, per la materia oscura ultraleggera simile a un assione, migliorano i precedenti vincoli di laboratorio di almeno cinque ordini di grandezza e, per la prima volta, il nuovo vincolo ha superato i limiti delle osservazioni astrofisiche. Per le interazioni dipendenti dallo spin mediate da assioni e altri nuovi bosoni leggeri, hanno migliorato i limiti precedenti fino a due ordini di grandezza.
Queste tecniche e applicazioni, come un'interessante connubio tra le tecniche di rilevamento quantistico e il test della fisica fondamentale (tradizionalmente nella fisica delle particelle), sono attraenti per i fisici generali. In futuro, le tecniche di amplificazione dello spin progrediranno notevolmente negli anni a venire e getteranno nuova luce sulle applicazioni dalla metrologia quantistica, allo studio della dinamica dei campi geomagnetici e all'elaborazione quantistica delle informazioni, per sondare la nuova fisica oltre il modello standard.
La ricerca è stata pubblicata su Science China Information Sciences . + Esplora ulteriormente
