Un equipo de investigación ha realizado, por primera vez, la amplificación cuántica de un campo magnético extremadamente débil mediante el uso de espín oscuro, con un aumento del campo magnético superior a un factor de 5.000 y una precisión de medición del campo magnético único que alcanza el nivel de 0,1 pies. El estudio se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences .
La amplificación cuántica es un medio eficaz para lograr una medición precisa de un campo electromagnético débil, pero el rendimiento de la amplificación cuántica de espín es limitado debido a las limitaciones de inicialización del espín gaseoso, tiempo de coherencia y sensibilidad de lectura. Superar estas limitaciones es muy importante para liberar todo el potencial de la amplificación cuántica.
Para resolver los problemas mencionados anteriormente, los investigadores propusieron el concepto de amplificación cuántica de espín en estado oscuro y realizaron experimentos en un sistema mixto de átomos gaseosos de xenón y rubidio. En este sistema, se utilizan átomos de xenón gaseosos como medio de amplificación y átomos de rubidio polarizados por láser como medio de polarización y lectura del espín del núcleo de xenón.
A diferencia de experimentos anteriores en los que los átomos gaseosos mezclados se encuentran en el mismo espacio, los procesos de polarización, amplificación y lectura suelen realizarse al mismo tiempo. Los investigadores de este artículo han encontrado una nueva forma de separar los procesos de polarización, amplificación y lectura manipulando las condiciones experimentales, como el láser polarizado del átomo de rubidio y el campo magnético polarizado del átomo de xenón, de modo que el núcleo de xenón gire en un estado oscuro durante el proceso de amplificación cuántica, que está libre de interferencias de átomos de rubidio polarizados y ejerce un mayor potencial de amplificación cuántica.
Los investigadores descubrieron que el tiempo de coherencia de espín de un núcleo de xenón en estado oscuro en este sistema es de hasta 6 minutos, un orden de magnitud mayor que antes. La ganancia observada del espín oscuro más largo en la señal magnética débil se amplificó aproximadamente 5.400 veces. Como aplicación, la combinación de amplificación de espín oscuro y magnetómetro atómico logra que el campo magnético mínimo detectable alcance el nivel subfemtotesla (1fT =10 -15 T) en una sola medición (unos 500 segundos).
Este trabajo arroja luz sobre campos biomédicos como el diagnóstico magnético corazón-cerebro, la medición de campos magnéticos extremadamente débiles de moléculas químicas y la detección de materia oscura.
El equipo de investigación estuvo dirigido por el Prof. Peng Xinhua y el Prof. Asociado Jiang Min de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China (CAS).
