Bose-Kondensat in einem komprimierten Spin-Zustand wurde zur Grundlage für einen neuen Magnetfeldsensor mit einer Auflösung von Mikrometern. • Igor Ivanov • Science News zu "Elements" • Physik

Bose-Kondensat in einem komprimierten Spin-Zustand wurde zur Grundlage für einen neuen Magnetfeldsensor mit Mikrometerauflösung.

Abb. 1. Die Technik der dreidimensionalen Abbildung eines magnetischen Wechselfeldes mit einer Auflösung von Mikrometern. Das mehrere Mikrometer große Bose-Einstein-Kondensat wird in einer Magnetfalle gehalten. Indem Sie die Falle steuern, können Sie das Kondensat über die Oberfläche bewegen, über die hochfrequente Ströme fließen, und lokal die Amplitude des magnetischen Wechselfeldes messen. Größe des gesamten abgebildeten Bereichs – ungefähr 100 Mikrometer. Bild aus dem Artikel in der DiskussionPhys. Rev. Lett.

Schweizer Physiker haben eine empfindliche Sonde geschaffen, die ein hochfrequentes Magnetfeld mit einer räumlichen Auflösung von mehreren Mikrometern abtasten kann. Das empfindliche Element der Sonde ist das atomare Bose-Kondensat in einem komprimierten Spin-Zustand, wodurch es möglich ist, die Standard-Quantengrenze der Messgenauigkeit zu überschreiten.

In der neuesten Ausgabe des Magazins Physische Überprüfungsschreiben Ein Artikel erschien, der über die Entwicklung eines seltsamen Messgerätes berichtete. Ein Forscherteam der Universität Basel in der Schweiz entwarf eine sehr empfindliche mikroskopische Sonde, mit der man ein schwaches und sehr schnell oszillierendes Magnetfeld messen und eine dreidimensionale Karte seiner Verteilung mit einer Auflösung von mehreren Mikrometern erstellen kann (Abb. 1).Natürlich gibt es seit längerer Zeit Magnetfeldsensoren, die viel empfindlicher sind, aber entweder eine viel schlechtere räumliche Auflösung (Millimeter oder sogar Zentimeter) haben oder nur mit konstanten oder langsam variierenden Magnetfeldern arbeiten. Der Vorteil des neuen Geräts besteht darin, dass es eine hohe Genauigkeit der Feldmessung mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und für Gigahertz-Frequenzen von Magnetfeldschwankungen erreicht. Das ideale Anwendungsgebiet einer solchen Vorrichtung ist die Untersuchung eines nahen Magnetfeldes in komplexen elektromagnetischen Mikrostrukturen, beispielsweise bei der Entwicklung von supraleitenden Miniaturvorrichtungen zur Verarbeitung von Quanteninformation.

Dieser Artikel hätte wie eine einfache Ankündigung einer rein technischen Innovation ausgesehen, wenn nicht für ein "aber". Sowohl der Titel des Artikels als auch sein Abstract sind voll von Quantenbegriffen: Quantenmetrologie, Atominterferometer, Bose-Einstein-Kondensat, atomarer Chip, quantenverschränkte Zustände. Und dann ist es an der Zeit, überrascht zu sein: Kann diese ganze seriöse Quantenwissenschaft für die Arbeit eines so scheinbar unkomplizierten Gerätes genutzt werden?

Es stellt sich heraus, ja.Der wissenschaftliche Hauptwert dieser Arbeit besteht nicht so sehr darin, dass Physiker gelernt haben, ein Magnetfeld mit einer solchen räumlichen Auflösung und bei solchen Frequenzen zu messen, sondern dass Diese Messung wird durchgeführt, indem das Standard-Quantengrenzmaß der Messung überwunden wird.. Und das bedeutet unweigerlich, dass das "Herz" des neuen Geräts in einem speziell präparierten Quantenzustand ist.

Atominterferometrie

Zunächst beschreiben wir kurz, was ein Atominterferometer ist. In der experimentellen Physik gibt es einen weit verbreiteten Weg, um eine Vielzahl von Größen – optische Interferometrie – genau zu messen. Es gibt viele Varianten dieses Schemas, aber in der einfachsten Form beruht es auf einer solchen Idee (Abb. 2, links).

Abb. 2 Schematische Darstellung des optischen Interferometers (auf der linken Seite) und Atominterferometer (auf der rechten Seite). In beiden Fällen wird das "empfindliche Element" (ein Laserstrahl oder eine Atomwolke) in eine Überlagerung von zwei Zuständen umgewandelt, die sich in unterschiedlichen Zuständen befinden und zwischen denen sich die Phasendifferenz ansammelt. Bilder von spie.org und www.physik.hu-berlin.de

Nimm einen Laserstrahl und führe ihn durch einen lichtdurchlässigen Spiegel. dann wird es sich in zwei Strahlen teilen, die auf verschiedene Arten weitergehen. Mit Hilfe eines Spiegelsystems können sie unabhängig voneinander gesendet und dann miteinander kombiniert werden. Diese beiden Strahlen sind trotz ihrer räumlichen Trennung miteinander kohärent (die elektrischen und magnetischen Felder in ihnen oszillieren synchron), und diese Kohärenz besteht zum Zeitpunkt des Kombinierens fort. Diese Strahlen gingen jedoch auf unterschiedliche Art und Weise, waren in unterschiedlichen Zuständen und schwankten daher leicht unterschiedlich. Daher wird, wenn die zwei Strahlen kombiniert werden, ein bestimmter Unterschied in den Phasen der elektromagnetischen Schwingungen erfasst. Diese Phasendifferenz kann durch das Interferenzmuster gemessen werden und sie enthält Informationen darüber, wie sich die Bedingungen auf dem Weg von zwei Strahlen unterschieden.

Zum Beispiel kann ein Strahl über einen erhitzten Körper (Testarm in Fig. 2) und der zweite – weit davon entfernt – geleitet werden. Da, wenn die Luft erhitzt wird, der Brechungsindex sich leicht ändert, wird der Lichtstrahl durch den erhitzten Bereich ein wenig schneller gehen. Es wird eine zusätzliche Phasendifferenz geben, die von der Erwärmungstemperatur abhängt; es kann durch das Interferenzmuster bestimmt werden und dadurch die Lufttemperatur messen.

Das Atominterferometer ist eine Realisierung derselben Idee, aber nicht mit einem Laserlicht, sondern mit einer kalten mikroskopischen Atomwolke (Abb. 2, rechts). Eine solche Wolke wird von externen Magnetfeldern gehalten und gesteuert (hier beschreiben wir nicht das allgemeinste Schema, sondern das im neuen Artikel verwendete Schema). Das "Innenleben" dieser Wolke, also der Zustand des Spins ihrer Atome, wird durch speziell vorbereitete Radioimpulse der gewünschten Dauer und Frequenz gesteuert. Außerdem, statt räumlich Trennung, die das optische Interferometer war, können Sie verwenden drehen Trennung, das heißt, Spaltung in zwei Spin-Zustände. Dies ist insofern nützlich, als unterschiedliche Spinzustände auf unterschiedliche Weise mit einem externen Magnetfeld wechselwirken. Wenn wir also ein Atom, das im ersten Spin-Zustand präpariert wurde, "aufspalten" (dh zwei Spinzustände in eine Superposition umsetzen) und es für einige Zeit in einem Magnetfeld hängen lassen, dann werden die beiden "Hypostasen" des Atoms die Phasendifferenz erhalten. Nach ihrer Wiedervereinigung, wenn das Atom zu einem festen Zustand wird, wird es nicht schon im ursprünglichen, sondern in einem neuen Zustand sein.Indem man diesen Zustand misst, kann man die Phasendifferenz finden und dadurch das Magnetfeld messen, das das Schicksal des Atoms beeinflusst hat.

Standard-Quantenlimit und seine Überwindung

Wenn das Betriebsschema der Messvorrichtung skizziert wird, bleibt es, es genau zu implementieren und das Feld so genau wie möglich zu messen. Aber es gibt eine wichtige Einschränkung für die Genauigkeit von Messungen in Interferometern, die als Standard-Quantengrenze bezeichnet wird. Wir betonen, dass diese Einschränkung nicht technischer, sondern physikalischer Natur ist. Um damit umgehen zu können, müssen Sie nicht die Installationsparameter angeben, sondern das Messschema selbst ändern.

Wenn Sie irgendeine Art von Quantenmessung durchführen, müssen Sie unweigerlich mit einzelnen Teilchen arbeiten, seien es Atome oder Photonen. Jeder spezifische Akt der Partikelregistrierung führt zu einem großen Fehler, und deshalb müssen Sie dieses Experiment viele Male einrichten, dh eine große Anzahl von Partikeln registrieren und dann das Durchschnittsbild von ihnen wiederherstellen. Glatte Interferenzstreifen, die es ermöglichen, die Phasenverschiebung zwischen zwei Strahlen im Interferometer zu messen, werden erst nach der Mittelung über eine große Anzahl von Teilchen erhalten.Im Falle eines atomaren Interferometers bedeutet dies auch, dass Sie nicht mit einem Atom arbeiten müssen, sondern mit einer Wolke aus N von Atomen. In diesem Fall verringert sich der Messfehler, aber langsam, proportional zu 1 /√N. Dies ist das Standard-Quantenlimit. (Im Allgemeinen wird dieser Begriff in verschiedenen Zusammenhängen verwendet, um etwas andere Dinge zu bedeuten, also werden wir klarstellen, dass dies das Standardquantenlimit für interferometrische Messungen ist.)

Natürlich, wenn Sie haben sehr viel viele Partikel, können Sie diesen Fehler reduzieren. Aber dann müssen Sie zwangsläufig mit einer großen Atomwolke arbeiten, was bedeutet, dass sich die räumliche Auflösung dieses Messgerätes verschlechtert. Diese Auflösung kann nur verbessert werden, indem die Größe der Wolke reduziert wird, aber dann sind zu wenige Atome darin, und der Messfehler wird sich verschlechtern.

Nur Messtechniken, die das Standard-Quantenlimit überwinden können, helfen diesen Teufelskreis zu durchbrechen. Diese Technik sollte unweigerlich nicht mit unabhängigen, sondern mit arbeiten Quanten verwirrt Atome, was mit Hilfe von Bose-Kondensat erreicht wird. Da diese Messmethode die Quanteneigenschaften eines Messgerätes voll ausnutzt, wird dieser Bereich der experimentellen Physik als "Quantenmetrologie" bezeichnet.

Im Allgemeinen mag der Satz "das Standardquantenlimit überwinden" zunächst verdächtig erscheinen: Werden wir wirklich die Grenzen der Quantenmechanik umgehen und ihre Gesetze verletzen? Nein, es ist nicht so dramatisch. Die Quantenmechanik behauptet nicht, dass das Standard-Quantenlimit eine absolut unüberwindbare Barriere ist. Sie behauptet nur, dass es eine Barriere für eine große Anzahl von sein wird unkorreliert Messungen. Im Fall eines Atominterferometers für eine große Anzahl von Atomen, die in der Phase nicht korreliert sind. Aber wenn Messungen quantenkorreliert sind, das heißt, wenn eine Atomwolke in einem bestimmten Quantenzustand präpariert wird, kann der Fehler noch mehr reduziert werden, bis zu Werten in der Größenordnung von 1 /N.

Die Standard-Quantengrenze ist also keine grundlegende physikalische Einschränkung, sondern nur das Ergebnis einer nicht optimalen Messstrategie. Und wenn wir diese Einschränkung überwinden wollen, müssen wir die Strategie optimieren.

Bose-Kondensat mit einem komprimierten Spin-Zustand

Im Prinzip sind all diese Schlussfolgerungen seit langem bekannt, ihre praktische Umsetzung in atomaren Interferometern bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten.Wir verzichten auf alle technischen Details, wir sagen nur, dass die in dem neuen Artikel implementierte Methode das Spin-Analog der gequetschten Lichtzustände verwendet (die übrigens kürzlich verwendet wurden, um die Empfindlichkeit des LIGO-Gravitationswellendetektors zu erhöhen). Aufgrund der Tatsache, dass sich die Atomwolke im Bose-Kondensat-Zustand befand, verhielt sie sich wie ein einzelnes Quantenobjekt, dh sie wurde durch einen kollektiven Spin beschrieben, und eine große Anzahl von Partikeln im Kondensat ermöglichte es, die Unsicherheit der Phasenmessung deutlich zu reduzieren.

Abb. 3 Oben: Sechs Stadien der Spinentwicklung eines Bosekondensats in einem Atominterferometer mit einem komprimierten Spinzustand. Der graue Kreis ist die Sphäre aller möglichen Zustände des kollektiven Spins des Kondensats; Ein Fleck darauf zeigt den aktuellen Zustand des Kondensats. Unten: Reihenfolge der Steuerungsaktionen im Zeitverlauf. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Phys. Rev. Lett.

Einige Details dieses Verfahrens sind in Abb. 3. Der Spinzustand des Kondensats ist hier der Übersichtlichkeit halber geometrisch dargestellt, als Fleck auf der Kugel aller möglichen Zustände (der Bloch-Kugel).Die Richtungen auf dieser Kugel zur Seite und nach oben und unten entsprechen zwei komplementären Werten: die Phase der Welle und das Ungleichgewicht zwischen der Anzahl der Atome im Spin-up- und im down-Zustand. Die Reihenfolge der Schritte in dieser Technik ist wie folgt. Zuerst wird ein anfänglich kohärenter Spinzustand mit einer mäßigen Phasenunsicherheit (Stufe 1) hergestellt. Dieser Zustand wird dann in einen komprimierten Spinzustand mit einer sehr großen Phasenunsicherheit (Stufen 2 und 3) transformiert; Der Fleck verwandelt sich in eine "Nadel" auf der Bloch-Kugel. In dieser Phase ist das Kondensat betriebsbereit und wird an die richtige Stelle gebracht, um das Feld zu messen. Dann entfaltet sich diese "Nadel" und verwandelt sich in einen Zustand mit einer großen Unsicherheit in der Anzahl der Atome, aber einer sehr kleinen Unsicherheit in der Phase (Stufe 4). Aufgrund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld tritt dann eine Phasenverschiebung für eine feste Zeit auf (Schritt 5). Und schließlich wird daraus ein Ungleichgewicht in der Anzahl der Atome, das bereits für die direkte Messung zur Verfügung steht.

Die Verbesserung im Vergleich zur Standardquantengrenze, die in der Arbeit erreicht wird, ist nicht so groß: etwa zweimal. Aber der Artikel hat gezeigtdass es möglich ist und bereits jetzt zu praktischen Ergebnissen führt, die für eine solche räumliche Auflösung und einen solchen Frequenzbereich rekordverdächtig sind. Und es gibt Aufgaben, für die sich die entwickelte Sonde als ein fortgeschrittenes Forschungswerkzeug erweisen wird, und es ist besonders angenehm, dass in einem solchen Gerät mehrere Erscheinungsformen der Quantennatur der Materie gleichzeitig verwendet werden.

Quelle: C. F. Ockeloen, R. Schmied, M. F. Riedel und Ph. Treutlein. Quantenmetrologie mit einem Rastersondenatom-Interferometer // Phys. Rev. Lett. 111, 143001 (2013); Der Artikel ist frei verfügbar.

Igor Iwanow


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