Cientistas elevam o campo magnético mínimo de uma única medição ao nível sub-femtotesla

Crédito:CC0 Domínio Público

Uma equipe de pesquisa realizou, pela primeira vez, a amplificação quântica de um campo magnético extremamente fraco usando spin escuro, com a ampliação do campo magnético excedendo um fator de 5.000 e a precisão da medição do campo magnético único atingindo o nível de 0,1fT. O estudo foi publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences .

A amplificação quântica é um meio eficaz de obter medição precisa de um campo eletromagnético fraco, mas o desempenho da amplificação quântica de spin é limitado devido às restrições de inicialização do spin gasoso, tempo de coerência e sensibilidade de leitura. Superar essas limitações é muito importante para liberar todo o potencial da amplificação quântica.

A fim de resolver os problemas acima, os pesquisadores propuseram o conceito de amplificação quântica de spin no estado escuro e realizaram experimentos no sistema misto de átomos gasosos de xenônio e rubídio. Neste sistema, átomos de xenônio gasosos são usados como meio de amplificação, e átomos de rubídio polarizados por laser são usados como meio de polarização e leitura do spin do núcleo de xenônio.

Ao contrário de experimentos anteriores em que os átomos gasosos mistos estão no mesmo espaço, os processos de polarização, amplificação e leitura são geralmente realizados ao mesmo tempo. Os pesquisadores neste artigo encontraram uma nova maneira de separar os processos de polarização, amplificação e leitura, manipulando as condições experimentais, como o laser polarizado com átomo de rubídio e o campo magnético de polarização do átomo de xenônio, de modo que o núcleo de xenônio gire em um estado escuro durante o processo de amplificação quântica, que está livre de interferência de átomos de rubídio polarizados e exerce mais potencial de amplificação quântica.

Os pesquisadores descobriram que o tempo de coerência do spin de um núcleo de xenônio no estado escuro neste sistema chega a 6 minutos, o que é uma ordem de magnitude maior do que antes. O ganho observado do spin escuro mais longo no sinal magnético fraco foi amplificado em cerca de 5.400 vezes. Como aplicação, a combinação de amplificação de spin escuro e magnetômetro atômico percebe que o campo magnético mínimo detectável atinge o nível sub-femtotesla (1fT =10^-15 T) em uma única medição (cerca de 500 segundos).

Este trabalho lança luz sobre campos biomédicos, como diagnóstico magnético coração-cérebro, medição de campo magnético extremamente fraco de moléculas químicas e detecção de matéria escura.

A equipe de pesquisa foi liderada pelo Prof. Peng Xinhua e pelo Prof. Associado Jiang Min da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia de Ciências da China (CAS).

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