Sensorer samlar in vissa parametrar som temperatur och lufttryck i sin närhet. Fysiker från Kaiserslautern och en kollega från Hannover har för första gången lyckats använda en enda cesiumatom som sensor för ultrakalla temperaturer. För att bestämma uppmätta data, de använde kvanttillstånd - atomens spinn eller rörelsemängd. Med dessa snurr, de mätte temperaturen på en ultrakall gas och magnetfältet. Systemet kännetecknas av en särskilt hög känslighet. Sådana sensorer kan användas i framtiden, till exempel, att undersöka kvantsystem utan störningar. Verket publicerades i tidskriften Fysisk granskning X .

I deras experiment, vetenskapsmän ledda av professor Dr. Artur Widera, som studerar kvantsystem, observerade enskilda cesiumatomer i en rubidiumgas som kylts ner till nära absolut noll. Temperaturen är bara en miljarddel av en bråkdel av en grad över denna nollpunkt. I deras nuvarande studie, de har undersökt om cesiumatomens spintillstånd kan användas för att få information. "Termen spin hänvisar till en atoms inneboende rörelsemängd, " förklarar professor Widera vid Technische Universität Kaiserslautern (TUK). "I cesium, det finns sju olika orienteringar för denna spin." Forskningen fokuserade på gastemperaturen.

När den enda cesiumatomen väl har införts i rubidiumgasen, rubidiumatomerna kolliderar med den. "Detta tillåter rörelsemängd att utbytas mellan atomerna tills en balans av spinn uppnås, " förklarar Dr Quentin Bouton, huvudforskare och första författare till studien. Forskarna mäter den enskilda atomens spinn och kan på så sätt bestämma temperaturen. Att jämföra denna metod med konventionella mätmetoder, där fysiker får samma temperaturvärde, bekräftar dess framgång.

Det speciella med studien var mätningens höga känslighet. I en typisk mätning, det är nödvändigt att bringa sensorn i kontakt med den kalla gasen och vänta tills jämvikt uppnås. "Faktiskt, för kvantsensorer, det finns en grundläggande gräns för deras känslighet i jämvikt. Dock, vi inkluderade information om interaktionerna mellan cesium och rubidium i förväg, så vi behövde inte vänta tills atomen var i jämvikt med rubidiumgasen, Bouton fortsätter. Som ett resultat, Kaiserslauternforskarnas mätsystem har en känslighet som är cirka 10 gånger högre än vad den grundläggande kvantgränsen kräver.

"Vi behövde bara tre spinnväxlingsprocesser - med andra ord, tre atomkollisioner – för att komma fram till ett resultat, " Fortsätter Bouton. Alltså, rubidiumgasens störning är också begränsad till tre kvanta. Detta är ett viktigt steg mot att mäta känsliga kvantsystem med så lite störningar som möjligt, som är av intresse för framtida tillämpningar inom kvantteknik.

"Det här är första gången vi har använt en enda atom som en sensor som använder kvantinformation och är betydligt bättre än en klassisk sensor, " påpekar Widera. Fysikerna genomförde också detta experiment med magnetfält och registrerade magnetiska tillstånd. Denna nya och mycket känsliga sensor är lämplig, till exempel, för att undersöka ömtåliga kvantsystem nästan utan förstörelse.

Förutom professor Wideras arbetsgrupp, Professor Dr. Eberhard Tiemann från Hannover var involverad i arbetet.