Este estudo foi liderado pelo Prof. Xinhua Peng e Prof. Min Jiang, que há muitos anos se dedicam ao desenvolvimento de tecnologias quânticas baseadas em spin para a detecção de campos magnéticos fracos.
Os pesquisadores usaram uma célula de vapor contendo rotações nucleares sobrepostas espaciais de gás nobre (por exemplo, xenônio-129) e rotações atômicas de átomos alcalinos (por exemplo, rubídio-87) para estabelecer sensores quânticos ultrassensíveis para a detecção de campos magnéticos fracos.

Pela primeira vez, eles descobriram que os spins nucleares podem atuar como um pré-amplificador que efetivamente aumenta um campo magnético medido coerentemente oscilante em pelo menos duas ordens de magnitude.

Eles mostraram a capacidade do amplificador baseado em spin para ultrapassar o limite de ruído de disparo de fóton do próprio magnetômetro de rubídio, aproximando-se do limite de ruído de projeção de spin deste último. Esta descoberta encorajou-os a alcançar uma sensibilidade magnética ultra-alta do nível de femtotesla, que tem um desempenho significativamente melhor do que o de outros magnetômetros demonstrados com spins nucleares limitados à sensibilidade de alguns picotesla.

Em seguida, eles estenderam a amplificação de spin no sistema Floquet, que pode aprimorar e medir simultaneamente vários campos magnéticos com pelo menos uma ordem de magnitude de melhoria, oferecendo a capacidade de medições no nível de femtotesla. Além disso, eles desenvolveram um novo "Floquet maser" neste sistema híbrido de spins nucleares e atômicos, que permite a magnetometria Floquet maser no nível de femtotesla para ~mHz de frequência ultrabaixa. A sensibilidade magnética alcançada atinge ~700fT/Hz ^1/2 abaixo de 60mHz, que é até agora a maior sensibilidade magnética na faixa de milihertz.

Essas técnicas permitirão que experimentos "de mesa" em escala de laboratório explorem as fronteiras da física fundamental. Novas partículas e forças podem gerar um campo magnético exótico oscilando em sua frequência Compton no núcleo (por exemplo, xenônio), que pode ser amplificado e detectado por este sensor quântico com amplificação de spin.

Eles conduziram uma série de experimentos, e as restrições alcançadas sobre os pontos fortes dessas interações exóticas são substancialmente melhores do que as de laboratório anteriores. Por exemplo, para a matéria escura ultraleve do tipo axion, eles melhoram as restrições laboratoriais anteriores em pelo menos cinco ordens de magnitude e, pela primeira vez, a nova restrição excedeu os limites das observações astrofísicas. Para interações dependentes de spin mediadas por áxions e outros novos bósons de luz, eles melhoraram os limites anteriores em até duas ordens de magnitude.

Essas técnicas e aplicações, como um interessante casamento de técnicas de sensoriamento quântico e o teste da física fundamental (tradicionalmente na física de partículas), são atraentes para os físicos em geral. No futuro, as técnicas de amplificação de spin progredirão dramaticamente nos próximos anos e lançarão uma nova luz sobre aplicações da metrologia quântica, investigação da dinâmica dos campos geomagnéticos e processamento de informações quânticas, para sondar novas físicas além do modelo padrão.

A pesquisa foi publicada na Science China Information Sciences . + Explorar mais

Novo amplificador de spin acelera a busca por matéria escura