Bose condensate ở trạng thái spin nén đã trở thành cơ sở cho một cảm biến từ trường mới với độ phân giải micron • Igor Ivanov • Tin tức khoa học về "Các nguyên tố" • Vật lý

Bose condensate ở trạng thái spin nén trở thành cơ sở cho cảm biến từ trường mới với độ phân giải micron

Hình 1. Kỹ thuật lập bản đồ ba chiều của từ trường xen kẽ với độ phân giải micron. Bose-Einstein condensate kích thước của một vài micron được tổ chức tại một cái bẫy từ. Lái xe bẫy ngưng tụ có thể được di chuyển trên bề mặt mà trên đó các dòng tần số cao chảy và địa phương đo biên độ của từ trường xen kẽ. Kích thước của toàn bộ khu vực được hiển thị – khoảng 100 micron. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luậnPhys. Rev. Lett.

Các nhà vật lý Thụy Sĩ đã tạo ra một đầu dò nhạy cảm có khả năng quét từ trường tần số cao với độ phân giải không gian vài micron. Yếu tố nhạy cảm của đầu dò là ngưng tụ Bose nguyên tử trong trạng thái spin nén, làm cho nó có thể vượt quá giới hạn đo lường chuẩn của lượng tử chuẩn.

Trong số phát hành mới nhất của tạp chí Thư đánh giá vật lý Một bài báo xuất hiện báo cáo về sự phát triển của một thiết bị đo lường tò mò. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Basel ở Thụy Sĩ đã thiết kế một đầu dò vi mô rất nhạy cảm cho phép bạn đo một từ trường dao động yếu và rất nhanh và xây dựng bản đồ phân bố ba chiều với độ phân giải vài micron (Hình 1).Tất nhiên, cảm biến từ trường, và hơn nữa, nhạy cảm hơn nhiều, đã tồn tại trong một thời gian dài, nhưng chúng có độ phân giải không gian tồi tệ hơn nhiều (mm hoặc thậm chí centimét), hoặc chỉ làm việc với các từ trường thay đổi liên tục hoặc chậm. Ưu điểm của thiết bị mới là nó đạt được độ chính xác cao của phép đo trường với độ phân giải micron và tần số dao động từ trường gigahertz. Lĩnh vực ứng dụng lý tưởng của một thiết bị như vậy là thăm dò từ trường gần trong các vi cấu trúc điện từ phức tạp, ví dụ, trong việc phát triển các thiết bị siêu dẫn thu nhỏ để xử lý thông tin lượng tử.

Bài viết này sẽ trông giống như một thông báo đơn giản về một sự đổi mới hoàn toàn kỹ thuật, nếu không phải là một "nhưng". Cả hai tiêu đề của bài báo và tóm tắt của nó đều đầy đủ với các thuật ngữ lượng tử: đo lường lượng tử, giao thoa nguyên tử, ngưng tụ Bose-Einstein, chip nguyên tử, trạng thái vướng víu lượng tử. Và sau đó là thời gian để được ngạc nhiên: có thể toàn bộ khoa học lượng tử nghiêm trọng này được sử dụng cho công việc của một thiết bị dường như không biến chứng?

Hóa ra là có.Giá trị khoa học chính của công trình này không nhiều đến nỗi các nhà vật lý đã học cách đo từ trường với độ phân giải không gian như vậy và ở tần số như vậy, nhưng Phép đo này được thực hiện bằng cách vượt qua giới hạn đo lượng tử tiêu chuẩn.. Và điều này chắc chắn có nghĩa là "trái tim" của thiết bị mới là cái gì đó ở trạng thái lượng tử được chuẩn bị đặc biệt.

Phép đo giao thoa nguyên tử

Đầu tiên, chúng tôi sẽ mô tả ngắn gọn về giao thoa kế nguyên tử. Trong vật lý thực nghiệm, có một cách phổ biến để đo chính xác một loạt các đại lượng – giao thoa quang học. Có nhiều biến thể của lược đồ này, nhưng ở dạng đơn giản nhất nó dựa trên ý tưởng như vậy (Hình 2, bên trái).

Hình 2 Sơ đồ của giao thoa kế quang (bên trái) và giao thoa kế nguyên tử (bên phải). Trong cả hai trường hợp, "yếu tố nhạy cảm" (một chùm tia laser hoặc một đám mây nguyên tử) được biến đổi thành sự chồng chất của hai trạng thái trong các điều kiện khác nhau và giữa đó sự khác biệt pha tích lũy. Hình ảnh từ spie.org và www.physik.hu-berlin.de

Lấy một chùm tia laser và truyền nó qua gương mờ; sau đó nó sẽ chia thành hai chùm, nó sẽ tiếp tục theo những cách khác nhau. Với sự giúp đỡ của một hệ thống gương, chúng có thể được gửi độc lập, và sau đó kết hợp với nhau. Hai chùm tia này, bất chấp sự tách rời không gian của chúng, mạch lạc với nhau (các điện trường và từ trường trong chúng dao động đồng bộ), và sự kết hợp này vẫn tồn tại tại thời điểm kết hợp. Tuy nhiên, những tia này theo những cách khác nhau, ở trong các điều kiện khác nhau và do đó dao động hơi khác nhau. Do đó, khi kết hợp hai chùm tia, một sự khác biệt nhất định trong các pha của dao động điện từ sẽ được phát hiện. Sự khác biệt pha này có thể được đo bằng mẫu giao thoa và nó mang thông tin về cách các điều kiện trên đường đi của hai tia khác nhau.

Ví dụ, một chùm tia có thể truyền qua thân nóng (Test Arm trong Hình 2), và một chùm tia thứ hai – cách xa nó. Kể từ khi không khí được làm nóng, chỉ số khúc xạ thay đổi một chút, chùm ánh sáng sẽ đi qua khu vực được làm nóng nhanh hơn một chút. Sẽ có một sự khác biệt pha bổ sung, phụ thuộc vào nhiệt độ gia nhiệt; nó có thể được xác định bởi mô hình giao thoa và do đó đo nhiệt độ không khí.

Atom giao thoa – là việc thực hiện các ý tưởng tương tự, nhưng không phải với ánh sáng laser, và với một đám mây lạnh của các nguyên tử cực nhỏ (Hình 2, bên phải.). Đám mây này được tổ chức và điều khiển bởi từ trường bên ngoài (ở đây chúng tôi không mô tả các chương trình phổ biến nhất, và một trong đó đã được sử dụng trong bài viết mới). "Cuộc sống Nội" của đám mây, có nghĩa là, tình trạng của spin của nguyên tử nó được điều khiển bởi một xung vô tuyến đặc biệt chuẩn bị thời gian và tần số mong muốn. Hơn nữa, thay vì không gian tách, đó là giao thoa kế quang học, bạn có thể sử dụng quay sự phân tách, có nghĩa là, chia thành hai trạng thái spin. Điều này rất hữu ích ở các trạng thái spin khác nhau tương tác theo những cách khác nhau với từ trường bên ngoài. Do đó, nếu bạn mất một nguyên tử chuẩn bị trong trạng thái spin đầu tiên, "chia nó" (có nghĩa là, chuyển đổi thành một sự chồng chất của hai trạng thái spin), và để cho anh ta một thời gian để treo trong một từ trường, hai "hiện thân" của nguyên tử có được một độ lệch pha. Sau cuộc hội ngộ của họ, khi nguyên tử trở thành một trạng thái rắn, nó sẽ không có trong đầu và trong một số trạng thái mới.Bằng cách đo trạng thái này, người ta có thể tìm thấy sự khác biệt pha và do đó đo từ trường ảnh hưởng đến số phận của nguyên tử.

Giới hạn lượng tử tiêu chuẩn và sự vượt qua của nó

Khi sơ đồ hoạt động của thiết bị đo được vạch ra, nó vẫn còn để thực hiện chính xác nó và đo lường trường một cách chính xác nhất có thể. Nhưng có một giới hạn quan trọng về độ chính xác của phép đo trong giao thoa kế, được gọi là giới hạn lượng tử chuẩn. Chúng tôi nhấn mạnh rằng hạn chế này không phải là kỹ thuật, nhưng về thể chất, và để đối phó với nó, bạn không cần phải xác định các thông số cài đặt, nhưng thay đổi chính lược đồ đo lường.

Khi bạn thực hiện một số loại phép đo lượng tử, bạn chắc chắn phải làm việc với các hạt riêng lẻ, có thể là nguyên tử hay photon. Mỗi hành vi đăng ký hạt cụ thể dẫn đến một lỗi lớn, và do đó bạn phải thiết lập thí nghiệm này nhiều lần, nghĩa là đăng ký một số lượng lớn các hạt và sau đó khôi phục lại hình ảnh trung bình từ chúng. Các dải nhiễu mịn, cho phép đo sự dịch chuyển pha giữa hai tia trong giao thoa kế, chỉ thu được sau khi lấy trung bình trên một số lượng lớn các hạt.Trong trường hợp của giao thoa kế nguyên tử, điều này cũng có nghĩa là bạn cần phải làm việc không với một nguyên tử, nhưng với một đám mây từ N của các nguyên tử. Trong trường hợp này, lỗi đo giảm, nhưng khá chậm, tương ứng với 1 /√N. Đây là giới hạn lượng tử tiêu chuẩn. (Nói chung, thuật ngữ này được sử dụng trong các ngữ cảnh khác nhau có nghĩa là những thứ hơi khác nhau, vì vậy chúng tôi sẽ làm rõ rằng đây là giới hạn lượng tử tiêu chuẩn cho phép đo giao thoa.)

Tất nhiên, nếu bạn có rất nhiều rất nhiều hạt, bạn có thể giảm lỗi này. Nhưng sau đó bạn chắc chắn sẽ phải làm việc với một đám mây nguyên tử lớn, có nghĩa là độ phân giải không gian của thiết bị đo này sẽ xấu đi. Độ phân giải này có thể được cải thiện chỉ bằng cách giảm kích thước của đám mây, nhưng sau đó sẽ có quá ít nguyên tử trong đó, và lỗi đo lường sẽ tồi tệ hơn.

Chỉ những kỹ thuật đo lường mới có thể vượt qua giới hạn lượng tử chuẩn giúp phá vỡ vòng luẩn quẩn này. Kỹ thuật này chắc chắn sẽ hoạt động không độc lập, nhưng với sự nhầm lẫn lượng tử nguyên tử, đạt được với sự giúp đỡ của Bose condensate. Vì phương pháp này để sử dụng tối đa các tính chất lượng tử của một thiết bị đo lường, vùng vật lý thực nghiệm này được gọi là "đo lường lượng tử".

Nói chung, cụm từ "để vượt qua giới hạn lượng tử chuẩn" có thể có vẻ đáng ngờ lúc đầu: chúng ta thực sự sẽ bỏ qua những hạn chế của cơ học lượng tử và vi phạm pháp luật của nó? Không, nó không quá kịch tính. Cơ học lượng tử không cho rằng giới hạn lượng tử chuẩn là một rào cản hoàn toàn không thể vượt qua. Cô ấy chỉ tuyên bố rằng nó sẽ là một rào cản đối với một số lượng lớn không tương quan phép đo. Trong trường hợp của giao thoa kế nguyên tử, đối với một số lượng lớn nguyên tử không tương quan trong pha. Nhưng nếu các phép đo là tương quan lượng tử, nghĩa là, nếu một đám mây nguyên tử được chuẩn bị ở trạng thái lượng tử nhất định, thì lỗi có thể được giảm nhiều hơn, lên đến giá trị của bậc 1 /N.

Vì vậy, giới hạn lượng tử chuẩn không phải là giới hạn vật lý cơ bản, mà chỉ là kết quả của một chiến lược đo lường không tối ưu. Và nếu chúng ta muốn vượt qua giới hạn này, chúng ta cần tối ưu hóa chiến lược.

Bose ngưng tụ với trạng thái spin nén

Về nguyên tắc, tất cả các kết luận này đã được biết đến trong một thời gian dài, nhưng việc thực hiện thực tế của chúng trong các giao thoa kế nguyên tử mang lại những khó khăn đáng kể.Bỏ qua tất cả các chi tiết kỹ thuật, chúng tôi chỉ nói rằng phương pháp được thực hiện trong bài viết mới sử dụng tương tự spin của trạng thái vắt của ánh sáng (gần đây đã được sử dụng để tăng độ nhạy của máy dò sóng hấp dẫn LIGO). Do thực tế là đám mây nguyên tử ở trạng thái ngưng tụ Bose, nó hoạt động như một vật thể lượng tử đơn lẻ, có nghĩa là, nó được mô tả bởi một spin tập thể và một số lượng lớn các hạt trong nước ngưng tụ làm giảm đáng kể độ không đảm bảo của phép đo pha.

Hình 3 Trên: Sáu giai đoạn của sự tiến hóa của spin của Bose ngưng tụ trong một giao thoa kế nguyên tử với trạng thái spin nén. Vòng tròn màu xám là hình cầu của tất cả các trạng thái có thể của spin tập thể của chất ngưng tụ; một đốm trên nó mô tả trạng thái ngưng tụ ở giai đoạn hiện tại. Xuống dưới: chuỗi hành động kiểm soát theo thời gian. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Phys. Rev. Lett.

Một số chi tiết của thủ tục này được thể hiện trong hình. 3. Ở đây, để làm rõ, trạng thái spin của chất ngưng tụ được thể hiện bằng hình học, như một hạt trên quả cầu của tất cả các trạng thái có thể (quả cầu Bloch).Các hướng trên quả cầu này sang một bên và lên và xuống tương ứng với hai giá trị bổ sung: pha của sóng và sự mất cân đối giữa số lượng nguyên tử trong trạng thái spin-up và down. Trình tự các bước trong kỹ thuật này như sau. Đầu tiên, trạng thái spin mạch lạc ban đầu được chuẩn bị với độ không đảm bảo pha vừa phải (giai đoạn 1). Trạng thái này sau đó được chuyển thành trạng thái spin nén với độ không đảm bảo pha rất lớn (giai đoạn 2 và 3); các đốm biến thành một "kim" trên quả cầu Bloch. Ở giai đoạn này, chất ngưng tụ đã sẵn sàng hoạt động, và nó được đưa đến đúng nơi để đo trường. Sau đó, “kim” này mở ra, biến thành trạng thái không chắc chắn lớn về số lượng nguyên tử, nhưng độ không chắc chắn rất nhỏ trong pha (giai đoạn 4). Sau đó, do sự tương tác với từ trường, sự dịch chuyển pha xảy ra trong một thời gian cố định (bước 5). Và cuối cùng, nó biến thành sự mất cân bằng về số lượng nguyên tử, đã có sẵn để đo trực tiếp.

Sự cải thiện so với giới hạn lượng tử tiêu chuẩn, đạt được trong công việc, không quá lớn: khoảng hai lần. Nhưng bài báo đã chứng minhrằng nó có thể và bây giờ nó dẫn đến kết quả thực tế, đó là kỷ lục phá vỡ cho độ phân giải không gian như vậy và phạm vi tần số như vậy. Và có những nhiệm vụ mà thăm dò phát triển sẽ chứng minh là một công cụ nghiên cứu tiên tiến, và nó đặc biệt dễ chịu trong một thiết bị như vậy một số biểu hiện của bản chất lượng tử của vật chất đang được sử dụng cùng một lúc.

Nguồn: C. F. Ockeloen, R. Schmied, M. F. Riedel, và Ph. Treutlein. Đo lường lượng tử bằng đầu dò quét Atom Interferometer // Phys. Rev. Lett. 111, 143001 (2013); Bài báo có sẵn miễn phí.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: