Cette étude a été dirigée par le professeur Xinhua Peng et le professeur Min Jiang, qui se consacrent depuis de nombreuses années au développement de technologies quantiques basées sur le spin pour la détection de champs magnétiques faibles.

Les chercheurs ont utilisé une cellule à vapeur contenant des spins nucléaires spatiaux de gaz rares (par exemple, le xénon-129) et des spins atomiques d'atomes alcalins-mentaux (par exemple, le rubidium-87) pour établir des capteurs quantiques ultrasensibles pour la détection de champs magnétiques faibles.

Pour la première fois, ils ont découvert que les spins nucléaires peuvent agir comme un préamplificateur qui améliore efficacement un champ magnétique mesuré oscillant de manière cohérente d'au moins deux ordres de grandeur.

Ils ont montré la capacité de l'amplificateur basé sur le spin à dépasser la limite de bruit de photon du magnétomètre au rubidium lui-même, approchant la limite de bruit de projection de spin de ce dernier. Cette découverte les a encouragés à atteindre une sensibilité magnétique ultra-élevée de niveau femtotesla, qui a une performance nettement meilleure que celle d'autres magnétomètres démontrés avec des spins nucléaires limités à la sensibilité de quelques picotesla.

Ensuite, ils ont étendu l'amplification de spin dans le système Floquet, qui peut améliorer et mesurer simultanément plusieurs champs magnétiques avec une amélioration d'au moins un ordre de grandeur, offrant la possibilité de mesures au niveau femtotesla. De plus, ils ont développé un nouveau « maser Floquet » sur ce système hybride de spins nucléaires et atomiques, qui permet la magnétométrie femtotesla du maser Floquet pour une fréquence ultra-basse ~mHz. La sensibilité magnétique atteinte atteint ~700fT/Hz ^1/2 en dessous de 60 mHz, ce qui est à ce jour la sensibilité magnétique la plus élevée dans la plage des millihertz.

Ces techniques permettront à des expériences "de table" à l'échelle du laboratoire d'explorer les frontières de la physique fondamentale. De nouvelles particules et forces peuvent générer un champ magnétique exotique oscillant à sa fréquence Compton sur le noyau (par exemple, le xénon), qui peut être amplifié puis détecté par ce capteur quantique avec amplification de spin.

Ils ont mené une série d'expériences, et les contraintes obtenues sur les forces de ces interactions exotiques sont nettement meilleures que celles des laboratoires précédents. Par exemple, pour la matière noire ultra-légère de type axion, ils améliorent les contraintes de laboratoire précédentes d'au moins cinq ordres de grandeur, et pour la première fois, la nouvelle contrainte a dépassé les limites des observations astrophysiques. Pour les interactions dépendantes du spin médiées par les axions et d'autres nouveaux bosons légers, ils ont amélioré les limites précédentes jusqu'à deux ordres de grandeur.

Ces techniques et applications, en tant que mariage intéressant des techniques de détection quantique et du test de la physique fondamentale (traditionnellement en physique des particules), sont attrayantes pour les physiciens généralistes. À l'avenir, les techniques d'amplification de spin progresseront considérablement au cours des prochaines années et apporteront un nouvel éclairage sur les applications de la métrologie quantique, de l'étude de la dynamique des champs géomagnétiques et du traitement de l'information quantique, pour sonder une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

La recherche a été publiée dans Science China Information Sciences . + Explorer plus loin

Un nouvel amplificateur de spin accélère la recherche de matière noire