La respuesta de frecuencia del magnetómetro 87Rb a los campos oscilantes a lo largo de y, asistida por un amplificador basado en espín 129Xe. Los datos experimentales (círculos rojos) se obtienen escaneando las frecuencias del campo auxiliar. La línea continua es el ajuste teórico de los datos y concuerda bien con el experimento. (b) El factor de amplificación medido a diferentes frecuencias de resonancia. El promedio se mide en ≈ 128 ± 0,3. Crédito:Science China Press
Este estudio fue dirigido por el Prof. Xinhua Peng y el Prof. Min Jiang, quienes se han dedicado durante muchos años al desarrollo de tecnologías cuánticas basadas en espín para la detección de campos magnéticos débiles.
Los investigadores utilizaron una celda de vapor que contenía espines nucleares superpuestos espaciales de gas noble (por ejemplo, xenón-129) y espines atómicos de átomos alcalinos (por ejemplo, rubidio-87) para establecer sensores cuánticos ultrasensibles para la detección de campos magnéticos débiles.
Por primera vez, descubrieron que los giros nucleares pueden actuar como un preamplificador que mejora de manera efectiva un campo magnético medido que oscila coherentemente en al menos dos órdenes de magnitud.
Sensibilidad magnética del magnetómetro basado en un amplificador de espín. 18 fT/Hz1/2 se logra a una frecuencia de 129Xe Larmor, que está más allá del límite de ruido de disparo de fotones y es comparable al límite de ruido de proyección de espín del propio magnetómetro 87Rb. ( c ) Sensibilidad magnética del magnetómetro basado en Floquet-maser. Se alcanzan 700 fT/Hz1/2 y actualmente es la mejor sensibilidad. Crédito:Science China Press
Mostraron la capacidad del amplificador basado en espín para superar el límite de ruido de disparo de fotones del propio magnetómetro de rubidio, acercándose al límite de ruido de proyección de espín de este último. Este descubrimiento los animó a lograr una sensibilidad magnética ultraalta del nivel de femtotesla, que tiene un rendimiento significativamente mejor que el de otros magnetómetros demostrados con espines nucleares limitados a la sensibilidad de unos pocos picoteslas.
Luego, ampliaron la amplificación de espín en el sistema Floquet, que puede mejorar y medir simultáneamente múltiples campos magnéticos con al menos una mejora de un orden de magnitud, ofreciendo la capacidad de mediciones de nivel de femtotesla. Además, desarrollaron un novedoso "máser de Floquet" en este sistema híbrido de espines atómico y nuclear, que permite magnetometría de máser de Floquet a nivel de femtotesla para una frecuencia ultrabaja de ~mHz. La sensibilidad magnética alcanzada alcanza ~700fT/Hz 1/2 por debajo de 60 MHz, que hasta ahora es la sensibilidad magnética más alta en el rango de milihercios.
Se ha demostrado que la técnica de amplificación de espín busca señales ALP en el rango de frecuencia de 2 a 180 Hz, correspondiente al rango de masa ALP de 8,3 a 744 feV. ( a ) Límites en el acoplamiento gaNN de materia oscura-nucleón similar a un axión. ( b ) Límites en el acoplamiento oscuro de fotones y nucleones gdEDM. Crédito:Science China Press
Estas técnicas permitirán experimentos de "mesa" a escala de laboratorio para explorar las fronteras de la física fundamental. Nuevas partículas y fuerzas pueden generar un campo magnético exótico que oscila en su frecuencia Compton en el núcleo (por ejemplo, xenón), que puede amplificarse y luego detectarse mediante este sensor cuántico con amplificación de espín.
Llevaron a cabo una serie de experimentos, y las restricciones logradas sobre las fortalezas de estas interacciones exóticas son sustancialmente mejores que las de laboratorio anteriores. Por ejemplo, para la materia oscura ultraligera similar a un axión, mejoran las restricciones de laboratorio anteriores en al menos cinco órdenes de magnitud y, por primera vez, la nueva restricción excedió los límites de las observaciones astrofísicas. Para las interacciones dependientes del espín mediadas por axiones y otros nuevos bosones ligeros, mejoraron los límites anteriores hasta en dos órdenes de magnitud.
Estas técnicas y aplicaciones, como una combinación interesante de técnicas de detección cuántica y la prueba de la física fundamental (tradicionalmente en la física de partículas), son atractivas para los físicos generales. En el futuro, las técnicas de amplificación de espín progresarán de forma espectacular en los próximos años y arrojarán nueva luz sobre las aplicaciones de la metrología cuántica, la investigación de la dinámica de los campos geomagnéticos y el procesamiento de la información cuántica, hasta la exploración de nueva física más allá del modelo estándar.
La investigación fue publicada en Science China Information Sciences . Un nuevo amplificador de espín acelera la búsqueda de materia oscura
