Les capteurs collectent certains paramètres tels que la température et la pression atmosphérique à proximité. Des physiciens de Kaiserslautern et un collègue de Hanovre ont réussi pour la première fois à utiliser un seul atome de césium comme capteur de températures ultrafroides. Pour déterminer les données mesurées, ils utilisaient des états quantiques – le spin ou le moment angulaire de l'atome. Avec ces tours, ils ont mesuré la température d'un gaz ultra-froid et le champ magnétique. Le système se caractérise par une sensibilité particulièrement élevée. De tels capteurs pourraient être utilisés à l'avenir, par exemple, pour étudier les systèmes quantiques sans interférence. Le travail a été publié dans la revue Examen physique X .

Dans leurs expériences, scientifiques dirigés par le professeur Dr. Artur Widera, qui étudie les systèmes quantiques, ont observé des atomes de césium individuels dans un gaz de rubidium refroidi à près du zéro absolu. La température n'est qu'un milliardième d'une fraction de degré au-dessus de ce point zéro. Dans leur étude actuelle, ils ont cherché à savoir si les états de spin de l'atome de césium peuvent être utilisés pour obtenir des informations. "Le terme spin fait référence au moment cinétique intrinsèque d'un atome, " explique le professeur Widera de la Technische Universität Kaiserslautern (TUK). " En césium, il y a sept orientations différentes pour cette rotation. » La recherche s'est concentrée sur la température du gaz.

Une fois que l'atome de césium est introduit dans le rubidium gazeux, les atomes de rubidium entrent en collision avec lui. "Cela permet d'échanger le moment angulaire entre les atomes jusqu'à ce qu'un équilibre de spin soit atteint, " explique le Dr Quentin Bouton, scientifique principal et premier auteur de l'étude. Les chercheurs mesurent le spin de l'atome individuel et peuvent ainsi déterminer la température. En comparant cette méthode avec les méthodes de mesure conventionnelles, où les physiciens obtiennent la même valeur de température, confirme son succès.

La particularité de l'étude était la grande sensibilité de la mesure. Dans une mesure typique, il faut mettre le capteur en contact avec le gaz froid et attendre que l'équilibre soit atteint. "En réalité, pour les capteurs quantiques, il y a une limite fondamentale à leur sensibilité à l'équilibre. Cependant, nous avons inclus à l'avance des informations sur les interactions entre le césium et le rubidium, nous n'avons donc pas eu à attendre que l'atome soit en équilibre avec le rubidium gazeux, " continue Bouton. Du coup, le système de mesure des chercheurs de Kaiserslautern a une sensibilité environ 10 fois supérieure à la limite quantique fondamentale requise.

"Nous n'avions besoin que de trois processus d'échange de spins - en d'autres termes, trois collisions atomiques - pour arriver à un résultat, " continue Bouton. Ainsi, la perturbation du rubidium gazeux est également limitée à trois quanta. Il s'agit d'une étape importante vers la mesure de systèmes quantiques sensibles avec le moins de perturbations possible, qui présente un intérêt pour les applications futures de la technologie quantique.

"C'est la première fois que nous utilisons un seul atome comme capteur qui utilise des informations quantiques et qui est nettement meilleur qu'un capteur classique, " Widera fait remarquer. Les physiciens ont également mené cette expérience avec des champs magnétiques et enregistré les états magnétiques. Ce nouveau capteur très sensible convient, par exemple, pour examiner des systèmes quantiques fragiles presque sans destruction.

Outre le groupe de travail du professeur Widera, Le professeur Dr. Eberhard Tiemann de Hanovre a participé aux travaux.