Un gruppo di ricerca ha, per la prima volta, realizzato l’amplificazione quantistica di un campo magnetico estremamente debole utilizzando lo spin oscuro, con l’ingrandimento del campo magnetico che supera un fattore di 5.000 e la precisione di misurazione del campo magnetico singolo che raggiunge il livello di 0,1fT. Lo studio è pubblicato in Proceedings of the National Academy of Sciences .
L'amplificazione quantistica è un mezzo efficace per ottenere una misurazione precisa di un campo elettromagnetico debole, ma le prestazioni dell'amplificazione quantistica di spin sono limitate a causa dei vincoli di inizializzazione dello spin gassoso, del tempo di coerenza e della sensibilità di lettura. Superare queste limitazioni è molto importante per liberare tutto il potenziale dell'amplificazione quantistica.
Per risolvere i problemi di cui sopra, i ricercatori hanno avanzato il concetto di amplificazione quantistica dello spin nello stato oscuro e hanno effettuato esperimenti nel sistema misto di atomi gassosi di xeno e rubidio. In questo sistema, gli atomi di xeno gassosi vengono utilizzati come mezzo di amplificazione e gli atomi di rubidio polarizzati dal laser vengono utilizzati come mezzo di polarizzazione e lettura dello spin del nucleo di xeno.
A differenza degli esperimenti precedenti in cui gli atomi gassosi misti si trovano nello stesso spazio, i processi di polarizzazione, amplificazione e lettura vengono solitamente eseguiti contemporaneamente. I ricercatori in questo articolo hanno trovato un nuovo modo per separare i processi di polarizzazione, amplificazione e lettura manipolando le condizioni sperimentali, come il laser polarizzato con atomi di rubidio e il campo magnetico di polarizzazione dell'atomo di xeno, in modo che il nucleo di xeno ruoti in uno stato oscuro durante il processo di amplificazione quantistica, che è esente da interferenze da atomi di rubidio polarizzati ed esercita un maggiore potenziale di amplificazione quantistica.
I ricercatori hanno scoperto che il tempo di coerenza dello spin di un nucleo di xeno nello stato buio in questo sistema dura fino a 6 minuti, un ordine di grandezza superiore rispetto a prima. Il guadagno osservato dello spin oscuro più lungo sul debole segnale magnetico è stato amplificato di circa 5.400 volte. Come applicazione, la combinazione dell'amplificazione dello spin oscuro e del magnetometro atomico realizza che il campo magnetico minimo rilevabile raggiunge il livello sub-femtotesla (1fT =10 -15 T) in una singola misurazione (circa 500 secondi).
Questo lavoro fa luce su campi biomedici come la diagnosi magnetica cuore-cervello, la misurazione del campo magnetico estremamente debole di molecole chimiche e il rilevamento della materia oscura.
Il gruppo di ricerca è stato guidato dal Prof. Peng Xinhua e dal Prof. Associato Jiang Min dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) della China Academy of Sciences (CAS).
