Os sensores coletam certos parâmetros como temperatura e pressão do ar em sua proximidade. Físicos de Kaiserslautern e um colega de Hanover conseguiram pela primeira vez usar um único átomo de césio como sensor de temperaturas ultracold. Para determinar os dados medidos, eles usaram estados quânticos - o spin ou momento angular do átomo. Com esses giros, eles mediram a temperatura de um gás ultra-frio e o campo magnético. O sistema é caracterizado por uma sensibilidade particularmente alta. Esses sensores podem ser usados ​​no futuro, por exemplo, para investigar sistemas quânticos sem interferência. O trabalho foi publicado na revista Revisão Física X .

Em seus experimentos, cientistas liderados pelo professor Dr. Artur Widera, que estuda sistemas quânticos, observaram átomos de césio individuais em um gás de rubídio resfriado até quase o zero absoluto. A temperatura está apenas um bilionésimo de uma fração de grau acima desse ponto zero. Em seu estudo atual, eles investigaram se os estados de spin do átomo de césio podem ser usados ​​para obter informações. "O termo spin refere-se ao momento angular intrínseco de um átomo, "explica o professor Widera da Technische Universität Kaiserslautern (TUK)." No césio, existem sete orientações diferentes para esse spin. ”A pesquisa se concentrou na temperatura do gás.

Uma vez que o único átomo de césio é introduzido no gás rubídio, os átomos de rubídio colidem com ele. "Isso permite que o momento angular seja trocado entre os átomos até que um equilíbrio de spin seja alcançado, "explica o Dr. Quentin Bouton, cientista principal e primeiro autor do estudo. Os pesquisadores medem o spin do átomo individual e podem assim determinar a temperatura. Comparando este método com métodos de medição convencionais, onde os físicos obtêm o mesmo valor de temperatura, confirma seu sucesso.

A característica especial do estudo foi a alta sensibilidade da medição. Em uma medição típica, é necessário colocar o sensor em contato com o gás frio e esperar até que o equilíbrio seja alcançado. "Na verdade, para sensores quânticos, há um limite fundamental para sua sensibilidade no equilíbrio. Contudo, incluímos informações sobre as interações entre césio e rubídio com antecedência, então não tivemos que esperar até que o átomo estivesse em equilíbrio com o gás rubídio, "Bouton continua. Como resultado, o sistema de medição dos pesquisadores Kaiserslautern tem uma sensibilidade que é cerca de 10 vezes maior do que o limite quântico fundamental requer.

"Precisamos apenas de três processos de troca de spin - em outras palavras, três colisões atômicas - para chegar a um resultado, "Bouton continua. Assim, a perturbação do gás rubídio também é limitada a três quanta. Este é um passo importante para medir sistemas quânticos sensíveis com o mínimo de perturbação possível, que é de interesse para futuras aplicações em tecnologia quântica.

"Esta é a primeira vez que usamos um único átomo como um sensor que usa informações quânticas e é significativamente melhor do que um sensor clássico, "Widera aponta. Os físicos também conduziram este experimento com campos magnéticos e registraram os estados magnéticos. Este novo e altamente sensível sensor é adequado, por exemplo, para examinar sistemas quânticos frágeis quase sem destruição.

Além do grupo de trabalho da Professora Widera, O professor Dr. Eberhard Tiemann, de Hanover, esteve envolvido no trabalho.