Els investigadors han descobert una manera senzilla però potent de protegir els àtoms de perdre informació - Un repte clau per desenvolupar tecnologies quàntiques fiables.
En brillar un sol feix làser amb cura sobre un gas d’àtoms, van aconseguir mantenir les gires internes dels àtoms sincronitzats, reduint dràsticament la velocitat amb què es perd la informació. En els sensors quàntics i els sistemes de memòria, els àtoms sovint perden la seva orientació magnètica - o "spin" - quan xoquen entre ells o les parets del seu contenidor.
Aquest fenomen, conegut com a relaxació de spin, limita greument el rendiment i l'estabilitat d'aquests dispositius. Els mètodes tradicionals per contrarestar -lo han requerit funcionar en camps magnètics extremadament baixos i utilitzar blindatge magnètic voluminós.
El nou mètode es desprèn completament d'aquestes restriccions. En lloc de blindar magnèticament el sistema, utilitza llum per canviar subtilment els nivells d’energia atòmica, alineant les gires dels àtoms i mantenint -los en sincronització, fins i tot a mesura que es mouen i xoquen. Això crea un estat de gir més resistent que està protegit naturalment de la decoherència.
En els experiments de laboratori amb vapor cesi càlid, la tècnica va reduir la desintegració del gir en un factor de 10 i va millorar significativament la sensibilitat magnètica. Aquest avenç demostra que un únic feix de llum pot estendre el temps de coherència de les gires atòmiques, obrint la porta a sensors quàntics més compactes, precisos i robustos, magnetòmetres i dispositius de memòria.
Un equip de físics del Departament de Física Aplicada de la Universitat Hebrea i del Centre de Nanociència i Nanotecnologia, en col·laboració amb l’Escola de Física Aplicada i Enginyeria de la Universitat de Cornell, ha presentat un potent nou mètode per protegir els girs atòmics de “soroll ambiental” - un pas important per millorar la precisió i la durabilitat de les tecnologies com els sensors quàntics i els sistemes de navegació.
L'estudi, "Protecció òptica d'Alkali - Atoms metàl·lics de la relaxació de spin", d'Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, el professor Ori Katz (Hebrew University) i el Prof. o Katz (Cornell University), a la Universitat de Cornell),Lletres de revisió físicai pot revolucionar potencialment camps que depenen de la detecció magnètica i la coherència atòmica.
Els àtoms amb electrons no aparellats - com els del vapor de cesi - tenen una propietat de "spin", interactua fortament amb els camps magnètics i, per tant, es poden utilitzar per a mesures sensibles a Ultra - dels camps magnètics, la gravetat i fins i tot l'activitat cerebral. Però aquests girs són notòriament fràgils.
Fins i tot la pertorbació més petita dels àtoms circumdants o parets de contenidors pot fer que perdin la seva orientació, un procés conegut com a relaxació de spin. Fins ara, protegir aquests girs d’aquestes interferències ha requerit configuracions complicades o funcionades només en condicions molt específiques. El nou mètode canvia això.
Llum làser com a escut
Els investigadors van desenvolupar una tècnica que utilitza un feix làser únic i ajustat amb precisió per sincronitzar la prèvia de les gires atòmiques al camp magnètic -, fins i tot quan els àtoms es xoquen constantment entre ells i els seus voltants.
Imagineu -vos un escenari on es limiten centenars de minúscules taps de filatura dins d’una caixa. Típicament, les interaccions entre aquests tops poden alterar les seves configuracions de spin, provocant que tot el sistema caigui de sincronització. Aquest efecte esdevé molt més dominant en camps magnètics alts, ja que els primers processen i canvien la seva orientació molt més ràpidament.
Tot i això, un mètode específic utilitza llum per mantenir la sincronització dins del sistema. En abordar les diferències en les diverses configuracions de spin, la llum manté de manera efectiva tots els tops girant en harmonia, impedint el trastorn i permetent un comportament cooperatiu entre les entitats de filatura, fins i tot en camps magnètics alts. Aquest enfocament posa de manifest la fascinant interacció entre la dinàmica de la llum i el spin atòmic.
Els investigadors van aconseguir una millora de nou - en el temps que els àtoms de cesi van mantenir la seva orientació de spin. Notablement, aquesta protecció funciona fins i tot quan els àtoms reboten anti - relaxació - parets cel·lulars recobertes i experimenten col·lisions internes freqüents.
Real - potencial mundial
Aquesta tècnica podria millorar significativament els dispositius que es basen en girs atòmics, inclosos:
Sensors i magnetòmetres quàntics utilitzats en imatges mèdiques, arqueologia i exploració espacial
Sistemes de navegació de precisió que no confien en el GPS
Plataformes d’informació quàntica on l’estabilitat del gir és clau per emmagatzemar i processar informació
Com que el mètode funciona en entorns "càlids" i no requereix un refredament extrem ni una sintonia de camp complicada, pot ser més pràctic per a aplicacions mundials reals - que els enfocaments existents.
"Aquest enfocament obre un nou capítol per protegir els sistemes quàntics del soroll", van dir els investigadors. "Aprofitant el moviment natural dels àtoms i l'ús de la llum com a estabilitzador, ara podem preservar la coherència a través d'una gamma més àmplia de condicions que mai".
La investigació es basa en dècades de treball en física atòmica, però aquesta solució senzilla i elegant - que utilitza llum per coordinar els àtoms - és un salt endavant. Pot obrir el camí per a tecnologies quàntiques més robustes, precises i accessibles en un futur proper.
