Kondensat Bose w skompresowanym stanie spinowym stał się podstawą nowego czujnika pola magnetycznego o rozdzielczości mikrona • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Fizyka

Kondensat Bose w skompresowanym stanie spinowym stał się podstawą nowego czujnika pola magnetycznego o rozdzielczości mikronowej

Ryc. 1. Technika trójwymiarowego odwzorowania zmiennego pola magnetycznego o rozdzielczości mikronowej. Kondensat Bosego-Einsteina o wielkości kilku mikronów mieści się w pułapce magnetycznej. Kontrolując pułapkę, można przesuwać kondensat na powierzchni, nad którą przepływają prądy wysokiej częstotliwości, i lokalnie mierzyć amplitudę zmiennego pola magnetycznego. Rozmiar całego pokazanego obszaru – około 100 mikronów. Obraz z artykułu w dyskusjiPhys. Rev. Lett.

Szwajcarscy fizycy stworzyli wrażliwą sondę zdolną do skanowania pola magnetycznego o wysokiej częstotliwości z przestrzenną rozdzielczością rzędu kilku mikronów. Czułym elementem sondy jest atomowy kondensat Bose w skompresowanym stanie spinowym, dzięki czemu możliwe jest przekroczenie standardowej granicy kwantowej dokładności pomiaru.

W najnowszym numerze magazynu Physical Review Letters Pojawił się artykuł opisujący rozwój ciekawego urządzenia pomiarowego. Grupa badawcza z Uniwersytetu Bazylea Szwajcaria opracował bardzo wrażliwe mikroskopijne sondę, która może mierzyć słaby i szybko oscylujące pole magnetyczne i budowy trójwymiarowej mapy jego rozkładu z dokładnością do kilku mikronów (fig. 1).Oczywiście, czujniki pola magnetycznego, a ponadto o wiele bardziej czułe, istnieją od dawna, ale albo mają znacznie gorszą rozdzielczość przestrzenną (milimetry, albo nawet centymetry), albo pracują tylko ze stałymi lub wolnozmiennymi polami magnetycznymi. Zaletą nowego urządzenia jest to, że osiąga on wysoką dokładność pomiaru pola przy rozdzielczości mikronowej i dla częstotliwości gigahercowych oscylacji pola magnetycznego. Idealnym polem zastosowania takiego urządzenia jest sondowanie pola bliskiego pola magnetycznego w złożonych mikrostrukturach elektromagnetycznych, na przykład w rozwoju miniaturowych nadprzewodzących urządzeń do przetwarzania informacji kwantowych.

Ten artykuł wyglądałby jak proste ogłoszenie czysto technicznej innowacji, jeśli nie dla jednego "ale". Zarówno tytuł artykułu, jak i jego streszczenie są pełne pojęć kwantowych: metrologii kwantowej, interferometru atomowego, kondensatu Bosego-Einsteina, układu atomowego, stanów splątanych kwantowych. A potem czas się zdziwić: czy całą tę poważną naukę kwantową można wykorzystać do pracy z tak pozornie nieskomplikowanym urządzeniem?

Okazuje się, tak.Główną wartością naukową tej pracy nie jest to, że fizycy nauczyli się mierzyć pole magnetyczne o takiej rozdzielczości przestrzennej i przy takich częstotliwościach, ale to Pomiar ten wykonuje się przez pokonanie standardowej granicy kwantowej pomiaru.. A to nieuchronnie oznacza, że ​​"serce" nowego urządzenia jest czymś, co jest w specjalnie przygotowanym stanie kwantowym.

Interferometria atomowa

Najpierw krótko opiszemy, czym jest interferometr atomowy. W fizyce eksperymentalnej istnieje powszechny sposób dokładnego pomiaru szerokiej gamy ilości – interferometrii optycznej. Istnieje wiele wariantów tego schematu, ale w najprostszej postaci opiera się na takim pomyśle (ryc. 2, po lewej).

Ryc. 2 Schemat ideowy interferometru optycznego (po lewej) i interferometr atomowy (po prawej). W obu przypadkach "czuły element" (wiązka lasera lub chmura atomów) przekształca się w superpozycję dwóch stanów znajdujących się w różnych warunkach i pomiędzy którymi kumuluje się różnica faz. Obrazy ze strony spie.org i www.physik.hu-berlin.de

Weź wiązkę lasera i przepuść ją przez półprzezroczyste lustro; następnie podzieli się na dwie wiązki, które będą się zmieniać na różne sposoby. Za pomocą systemu luster mogą być wysyłane niezależnie, a następnie łączone razem. Te dwie wiązki, mimo separacji przestrzennej, są ze sobą spójne (pola elektryczne i magnetyczne oscylują w nich synchronicznie), a ta spójność utrzymuje się w czasie łączenia. Jednak te promienie poszły w różny sposób, były w różnych warunkach, a zatem wahały się nieco inaczej. Dlatego przy łączeniu dwóch wiązek zostanie wykryta pewna różnica w fazach oscylacji elektromagnetycznych. Ta różnica faz może być mierzona za pomocą wzoru interferencyjnego i zawiera informacje o tym, w jaki sposób warunki na ścieżce dwóch promieni różnią się.

Na przykład, jedna wiązka może być przepuszczona przez ogrzewany korpus (ramię testowe na fig. 2), a druga – z dala od niego. Ponieważ kiedy powietrze jest ogrzewane, współczynnik załamania światła zmienia się nieznacznie, wiązka światła przechodzi przez ogrzewany obszar trochę szybciej. Wystąpi dodatkowa różnica faz, która zależy od temperatury ogrzewania; może być określony przez wzór interferencji i tym samym zmierzyć temperaturę powietrza.

Interferometr atomowy jest realizacją tego samego pomysłu, ale nie światłem laserowym, ale zimną mikroskopijną chmurą atomów (ryc. 2, z prawej). Taka chmura jest utrzymywana i kontrolowana przez zewnętrzne pola magnetyczne (tutaj opisujemy nie najbardziej ogólny schemat, ale ten użyty w nowym artykule). "Wewnętrzne życie" tego obłoku, to znaczy stan jego atomów, jest kontrolowany przez specjalnie przygotowane impulsy radiowe o pożądanym czasie trwania i częstotliwości. Ponadto zamiast przestrzenny separacja, która była interferometrem optycznym, możesz użyć spin separacja, czyli podział na dwa stany spinowe. Jest to użyteczne w tym, że różne stany spinowe oddziałują na różne sposoby z zewnętrznym polem magnetycznym. Dlatego, jeśli weźmiemy jeden atom przygotowany w pierwszym stanie spinowym, "podzielmy" (to jest przetłumaczyć dwa stany spinów na superpozycję) i pozwolimy, aby zawiesił się w polu magnetycznym przez jakiś czas, wtedy dwie "hipostazy" atomu staną się różnicami fazowymi. Po ich ponownym zjednoczeniu, gdy atom stanie się ciałem stałym, nie będzie już w stanie początkowym, ale w jakimś nowym stanie.Mierząc ten stan, można znaleźć różnicę faz i tym samym zmierzyć pole magnetyczne, które wpłynęło na los atomu.

Standardowy limit kwantowy i jego pokonanie

Gdy schemat działania urządzenia pomiarowego jest nakreślony, pozostaje on dokładnie wprowadzić go w życie i zmierzyć pole tak dokładnie, jak to możliwe. Istnieje jednak ważne ograniczenie dokładności pomiarów w interferometrach, które nazywa się standardowym limitem kwantowym. Podkreślamy, że to ograniczenie nie jest techniczne, ale fizyczne, i aby sobie z nim poradzić, nie trzeba określać parametrów instalacji, ale zmienić sam schemat pomiaru.

Kiedy wykonujesz jakiś pomiar kwantowy, nieuchronnie musisz pracować z poszczególnymi cząstkami, czy to atomami, czy fotonami. Każdy konkretny akt rejestracji cząstek prowadzi do dużego błędu, dlatego musisz skonfigurować ten eksperyment wiele razy, czyli zarejestrować dużą liczbę cząstek, a następnie przywrócić z nich przeciętny obraz. Gładkie paski interferencyjne, które pozwalają mierzyć przesunięcie fazowe pomiędzy dwoma promieniami w interferometrze, uzyskuje się dopiero po uśrednieniu dużej liczby cząstek.W przypadku interferometru atomowego oznacza to również, że musisz pracować nie z jednym atomem, ale z chmurą N atomów. W tym przypadku błąd pomiaru zmniejsza się, ale raczej powoli, proporcjonalnie do 1 /√N. Jest to standardowy limit kwantowy. (Ogólnie rzecz biorąc, termin ten jest używany w różnych kontekstach, aby oznaczać nieco inne rzeczy, więc wyjaśnimy, że jest to standardowa granica kwantowa dla pomiarów interferometrycznych).

Oczywiście, jeśli masz bardzo dużo cząstek, możesz zmniejszyć ten błąd. Ale wtedy nieuchronnie będziesz musiał pracować z dużą chmurą atomów, co oznacza, że ​​rozdzielczość przestrzenna tego urządzenia pomiarowego ulegnie pogorszeniu. Rozdzielczość tę można poprawić tylko poprzez zmniejszenie rozmiaru chmury, ale wtedy będzie w niej za mało atomów, a błąd pomiaru pogorszy się.

Tylko techniki pomiarowe, które są w stanie przezwyciężyć standardowy limit kwantowy, pomagają przełamać to błędne koło. Ta technika powinna nieuchronnie działać nie z niezależnością, ale z kwant zmieszany atomów, co osiąga się za pomocą kondensatu Bose. Ponieważ ta metoda pomiaru w pełni wykorzystuje kwantowe właściwości urządzenia pomiarowego, ten obszar fizyki eksperymentalnej nazywany jest "metrologią kwantową".

Ogólnie rzecz biorąc, zdanie "pokonać standardowy limit kwantowy" może początkowo wydawać się podejrzane: czy naprawdę pominiemy ograniczenia mechaniki kwantowej i naruszymy jej prawa? Nie, to nie jest takie dramatyczne. Mechanika kwantowa nie twierdzi, że standardowy limit kwantowy jest barierą absolutnie nie do pokonania. Twierdzi jedynie, że będzie to bariera dla dużej liczby osób nieskorelowany pomiary. W przypadku interferometru atomowego dla dużej liczby atomów niezwiązanych w fazie. Ale jeśli pomiary są skorelowane kwantowo, to znaczy, jeśli chmura atomów jest przygotowana w pewnym stanie kwantowym, wówczas błąd można zmniejszyć jeszcze bardziej, aż do wartości rzędu 1 /N.

Zatem standardowy limit kwantowy nie jest podstawowym ograniczeniem fizycznym, a jedynie wynikiem nieoptymalnej strategii pomiarowej. A jeśli chcemy przezwyciężyć to ograniczenie, musimy zoptymalizować strategię.

Kondensat Bose ze skompresowanym stanem spinu

Zasadniczo wszystkie te wnioski znane są od dawna, ale ich praktyczne zastosowanie w interferometrach atomowych stwarza poważne trudności.Pomijając wszystkie szczegóły techniczne, mówimy tylko, że metoda zastosowana w nowym artykule wykorzystuje analog spinowy ściśniętych stanów światła (które, nawiasem mówiąc, zostały ostatnio wykorzystane w celu zwiększenia czułości detektora fal grawitacyjnych LIGO). Ze względu na fakt, że chmura atomowa znajdowała się w stanie kondensatu Bose, zachowywała się jak pojedynczy obiekt kwantowy, to znaczy, była opisana przez spin kolektywny, a duża liczba cząstek w kondensacie umożliwiła znaczne zmniejszenie niepewności pomiaru fazy.

Ryc. 3 Powyżej: Sześć etapów ewolucji wirowania kondensatu Bose w interferometrze atomowym ze skompresowanym wirowaniem. Szary okrąg jest kulą wszystkich możliwych stanów kolektywnego spinu kondensatu; drobina na nim przedstawia stan kondensatu na obecnym etapie. Na dole: sekwencja działań kontrolnych w czasie. Obraz z artykułu w dyskusji Phys. Rev. Lett.

Niektóre szczegóły tej procedury przedstawiono na ryc. 3. Tutaj, dla jasności, stan spinu kondensatu przedstawiono geometrycznie, jako plamkę na kuli wszystkich możliwych stanów (sferę Blocha).Kierunki na tej kuli z boku i w górę i w dół odpowiadają dwóm wartościom uzupełniającym: fazie fali i nierównowadze między liczbą atomów w stanie spin-up i down. Sekwencja kroków w tej technice jest następująca. Najpierw wytwarza się początkowy spójny stan spinu z umiarkowaną niepewnością fazową (etap 1). Ten stan jest następnie przekształcany w skompresowany stan spinowy z bardzo dużą niepewnością fazową (etapy 2 i 3); plamka zamienia się w "igłę" na kuli Blocha. Na tym etapie kondensat jest gotowy do pracy i trafia w odpowiednie miejsce do pomiaru pola. Następnie ta "igła" rozwija się, zamieniając się w stan z dużą niepewnością liczby atomów, ale bardzo małą niepewność w fazie (etap 4). Następnie, ze względu na interakcję z polem magnetycznym, przesunięcie fazowe zachodzi przez ustalony czas (krok 5). I w końcu zmienia się w nierównowagę liczby atomów, która jest już dostępna do bezpośredniego pomiaru.

Poprawa w porównaniu ze standardowym limitem kwantowym, uzyskana w pracy, nie jest zbyt duża: około dwa razy. Ale artykuł zademonstrowałże jest to możliwe i że już teraz prowadzi do praktycznych wyników, które są rekordowe dla takiej rozdzielczości przestrzennej i takiego zakresu częstotliwości. I są zadania, dla których opracowana sonda okaże się zaawansowanym narzędziem badawczym, a szczególnie przyjemne jest to, że w takim urządzeniu używa się jednocześnie kilku przejawów kwantowej natury materii.

Źródło: C. F. Ockeloen, R. Schmied, M. F. Riedel i Ph. Treutlein. Metrologia kwantowa za pomocą sondy skanującej Atom Interferometer // Phys. Rev. Lett. 111, 143001 (2013); Artykuł jest dostępny bezpłatnie.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: