Forskare har upptäckt ett enkelt men ändå kraftfullt sätt att skydda atomer från att förlora information - en viktig utmaning för att utveckla tillförlitlig kvantteknik.
Genom att lysa en enda, noggrant inställd laserstråle på en gas med atomer lyckades de hålla atomernas inre snurr synkroniserade, vilket dramatiskt minskade hastigheten med vilken information går förlorad. I kvantsensorer och minnesystem förlorar atomer ofta sin magnetiska orientering - eller "spin" - när de kolliderar med varandra eller väggarna i deras behållare.
Detta fenomen, känt som spinavslappning, begränsar allvarligt prestanda och stabilitet för sådana enheter. Traditionella metoder för att motverka det har krävt drift i extremt låga magnetfält och med hjälp av skrymmande magnetisk skärmning.
Den nya metoden sträcker sig helt och hållet. Istället för att magnetiskt skydda systemet använder det lätt för att subtilt skifta atomiska energinivåer, justera atomernas snurr och hålla dem synkroniserade, även när de rör sig och kolliderar. Detta skapar ett mer motståndskraftigt spinntillstånd som är naturligt skyddat från decoherence.
I labbexperiment med varm cesiumånga reducerade tekniken med en faktor 10 och förbättrade magnetisk känslighet signifikant. Detta genombrott visar att en enda ljusstråle kan förlänga koherenstiden för atomspinn, öppna dörren till mer kompakta, exakta och robusta kvantsensorer, magnetometrar och minnesanordningar.
Ett team av fysiker från det hebreiska universitetets avdelning för tillämpad fysik och Center for Nanoscience and Nanotechnology, i samarbete med School of Applied and Engineering Physics vid Cornell University, har avslöjat en kraftfull ny metod för att skydda atomspinnen från miljö "-brus" - ett viktigt steg mot att förbättra justering och dämpning av teknik från teknik "-buller" - ett viktigt steg mot förbättring av justeringen och diktigheten av teknik från teknik "-buller" - ett huvudsteg mot att förbättra justering och dämpning av teknik från tekniska system och navigationssystem.
Studien, "Optiskt skydd av alkali - metallatomer från spinavslappning", av Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, prof. Ori Katz (hebreiska universitet) och professor eller Katz (Cornell University), har publicerats iFysiska granskningsbrevoch kan potentiellt revolutionera fält som beror på magnetisk avkänning och atomkoherens.
Atomer med oparade elektroner - såsom de i cesiumånga - har en egenskap av "spin", interagerar starkt med magnetfält och kan därför användas för ultra - känsliga mätningar av magnetfält, tyngdkraft och till och med hjärnaktivitet. Men dessa snurr är notoriskt ömtåliga.
Till och med den minsta störningen från omgivande atomer eller behållarväggar kan få dem att förlora sin orientering, en process som kallas spinavslappning. Hittills har det krävt komplicerade inställningar eller arbetat endast under mycket specifika förhållanden att skydda dessa snurr från sådan störning. Den nya metoden ändrar det.
Laserljus som en sköld
Forskarna utvecklade en teknik som använder en enda, exakt avstämd laserstråle för att synkronisera företrädet för atomspinn i magnetfältet - även när atomerna ständigt kolliderar med varandra och deras omgivningar.
Föreställ dig ett scenario där hundratals små snurrtoppar är begränsade i en låda. Vanligtvis kan interaktioner mellan dessa toppar störa deras snurrkonfigurationer, vilket gör att hela systemet faller ur synkronisering. Denna effekt blir mycket mer dominerande i högmagnetiska fält, eftersom topparna bearbetar och ändrar deras orientering mycket snabbare.
En specifik metod använder emellertid ljus för att upprätthålla synkronisering i systemet. Genom att ta itu med skillnaderna i de olika spinnkonfigurationerna håller ljuset effektivt alla toppar som snurrar i harmoni, förhindrar störning och möjliggör kooperativt beteende bland de snurrande enheterna, även vid högmagnetiska fält. Denna metod belyser det fascinerande samspelet mellan ljus och atomisk spindynamik.
Forskarna uppnådde en nio - -foldförbättring i hur länge cesiumatomer bibehöll sin spinorientering. Det är anmärkningsvärt att detta skydd fungerar även när atomerna studsar av speciella anti - avslappning - belagda cellväggar och upplever ofta interna kollisioner.
Verklig - världspotential
Denna teknik kan avsevärt förbättra enheter som förlitar sig på atomspinn, inklusive:
Kvantsensorer och magnetometrar som används i medicinsk avbildning, arkeologi och rymdutforskning
Precisionsnavigationssystem som inte litar på GPS
Kvantinformationsplattformar där spinstabilitet är nyckeln till att lagra och bearbeta information
Eftersom metoden fungerar i "varma" miljöer och inte kräver extrem kylning eller komplicerad fältjustering, kan det vara mer praktiskt för verkliga - världsapplikationer än befintliga tillvägagångssätt.
"Denna metod öppnar ett nytt kapitel för att skydda kvantsystem från buller," sade forskarna. "Genom att utnyttja den naturliga rörelsen hos atomer och använda ljus som stabilisator kan vi nu bevara koherens över ett bredare spektrum av förhållanden än någonsin tidigare."
Forskningen bygger på decennier av arbete i atomfysik, men denna enkla, eleganta lösning - med hjälp av ljus för att koordinera atomer - är ett hopp framåt. Det kan bana väg för mer robusta, exakta och tillgängliga kvantteknologier inom en snar framtid.
