Une équipe de recherche a, pour la première fois, réalisé l'amplification quantique d'un champ magnétique extrêmement faible en utilisant le spin sombre, le grossissement du champ magnétique dépassant un facteur de 5 000 et la précision de mesure du champ magnétique unique atteignant le niveau de 0,1 fT. L'étude est publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences .
L'amplification quantique est un moyen efficace pour obtenir une mesure précise d'un champ électromagnétique faible, mais les performances de l'amplification quantique de spin sont limitées en raison des contraintes d'initialisation du spin gazeux, du temps de cohérence et de la sensibilité de lecture. Surmonter ces limitations est très important pour libérer tout le potentiel de l'amplification quantique.
Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, les chercheurs ont proposé le concept d’amplification quantique de spin à l’état sombre et ont mené des expériences sur le système mixte d’atomes gazeux de xénon et de rubidium. Dans ce système, des atomes de xénon gazeux sont utilisés comme milieu d'amplification, et des atomes de rubidium polarisés par laser sont utilisés comme moyen de polarisation et de lecture du spin du noyau de xénon.
Contrairement aux expériences précédentes dans lesquelles les atomes gazeux mélangés se trouvaient dans le même espace, les processus de polarisation, d'amplification et de lecture sont généralement effectués en même temps. Les chercheurs dans cet article ont trouvé une nouvelle façon de séparer les processus de polarisation, d'amplification et de lecture en manipulant les conditions expérimentales, telles que le laser polarisé par l'atome de rubidium et le champ magnétique de polarisation de l'atome de xénon, de sorte que le noyau du xénon tourne dans un état sombre pendant le processus d'amplification quantique, qui est exempt d'interférences provenant d'atomes de rubidium polarisés et exerce un plus grand potentiel d'amplification quantique.
Les chercheurs ont découvert que le temps de cohérence de spin d'un noyau de xénon à l'état sombre dans ce système peut atteindre 6 minutes, ce qui représente un ordre de grandeur plus élevé qu'auparavant. Le gain observé du spin sombre plus long sur le signal magnétique faible a été amplifié d’environ 5 400 fois. En tant qu'application, la combinaison de l'amplification de spin sombre et du magnétomètre atomique permet de réaliser que le champ magnétique minimum détectable atteint le niveau sub-femtotesla (1fT =10 -15 T) en une seule mesure (environ 500 secondes).
Ces travaux mettent en lumière des domaines biomédicaux tels que le diagnostic magnétique cœur-cerveau, la mesure du champ magnétique extrêmement faible de molécules chimiques et la détection de la matière noire.
L'équipe de recherche était dirigée par le professeur Peng Xinhua et le professeur associé Jiang Min de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie des sciences de Chine (CAS).
