Ett forskargrupp från Garching och Wien upptäckte en anmärkningsvärd ekoeffekt som erbjuder spännande nya möjligheter att arbeta med kvantinformation.

Små partiklar kan ha en vinkelmoment som pekar i en viss riktning - snurrningen. Denna snurrning kan manipuleras av ett magnetfält. Denna princip, till exempel, är grundtanken bakom magnetisk resonanstomografi som används på sjukhus. Ett internationellt forskargrupp har nu upptäckt en överraskande effekt i ett system som är särskilt lämpligt för bearbetning av kvantinformation:snurren av fosforatomer i en bit kisel, kopplad till en mikrovågsresonator. Om dessa snurr är smart upphetsade med mikrovågspulser, en så kallad spin-ekosignal kan detekteras efter en viss tid-den injicerade pulssignalen avges på nytt som ett kvanteko. Förvånande, detta spinneko förekommer inte bara en gång, men en hel serie ekon kan detekteras. Detta öppnar nya möjligheter för hur information kan bearbetas med kvantsystem.

Experimenten utfördes vid Walther-Meissner-institutet i Garching av forskare från Bayerns vetenskaps- och humanioraakademi och Tekniska universitetet i München, den teoretiska förklaringen utvecklades vid TU Wien (Wien). Nu har det gemensamma arbetet publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Ekot av kvantspinn

"Spinekon har varit kända under lång tid, detta är inget ovanligt, "säger professor Stefan Rotter från TU Wien (Wien). Först, ett magnetfält används för att se till att snurren på många atomer pekar i samma magnetiska riktning. Då bestrålas atomerna med en elektromagnetisk puls, och plötsligt börjar deras snurr ändra riktning.

Dock, atomerna är inbäddade i lite olika miljöer. Det är därför möjligt att lite olika krafter verkar på deras snurr. "Som ett resultat, centrifugeringen ändras inte med samma hastighet för alla atomer, "förklarar doktor Hans Hübl från Bayerns vetenskaps- och humanioraakademi." Vissa partiklar ändrar sin rotationsriktning snabbare än andra, och snart har du ett vilt virvar av snurr med helt olika inriktningar. "

Men det är möjligt att spola tillbaka detta skenbara kaos - med hjälp av en annan elektromagnetisk puls. En lämplig puls kan vända den tidigare centrifugeringen så att alla snurr kommer ihop igen. "Du kan tänka dig att det är lite som att springa ett maraton, "säger Stefan Rotter." Vid startsignalen, alla löpare är fortfarande tillsammans. Eftersom vissa löpare är snabbare än andra, löparfältet dras längre och längre isär med tiden. Dock, om alla löpare nu fick signalen att återgå till starten, alla löpare skulle återgå till starten ungefär samtidigt, även om snabbare löpare måste täcka en längre sträcka bakåt än långsammare. "

Vid snurr, detta betyder att vid en viss tidpunkt har alla partiklar exakt samma spinnriktning igen - och detta kallas spinneko. "Baserat på vår erfarenhet inom detta område, vi hade redan förväntat oss att kunna mäta ett spinneko i våra experiment, "säger Hans Hübl." Det anmärkningsvärda är att vi inte bara kunde mäta ett enda eko, men en serie med flera ekon. "

Snurren som påverkar sig själv

I början, det var oklart hur denna nya effekt kommer till. Men en detaljerad teoretisk analys gjorde det nu möjligt att förstå fenomenet:Det beror på den starka kopplingen mellan experimentets två komponenter - snurrningarna och fotonerna i en mikrovågsresonator, en elektrisk krets där mikrovågor bara kan existera vid vissa våglängder. "Denna koppling är kärnan i vårt experiment:Du kan lagra information i spinnarna, och med hjälp av mikrovågsfotonerna i resonatorn kan du ändra den eller läsa den, säger Hans Hübl.

Den starka kopplingen mellan atomspinnet och mikrovågsresonatorn är också ansvarig för flera ekon:Om atomerna snurrar alla pekar i samma riktning i det första ekot, detta ger en elektromagnetisk signal. "Tack vare kopplingen till mikrovågsresonatorn, denna signal fungerar tillbaka på snurr, och detta leder till ett annat eko - och om och om igen, "förklarar Stefan Rotter." Snurren själva orsakar den elektromagnetiska pulsen, som är ansvarig för nästa eko. "

Spinnekoets fysik har stor betydelse för tekniska tillämpningar - det är en viktig grundprincip bakom magnetisk resonansavbildning. De nya möjligheterna som erbjuds av multipel eko, såsom behandling av kvantinformation, kommer nu att undersökas mer i detalj. "Säkert, flera ekon i spinnensembler kopplade starkt till fotonerna i en resonator är ett spännande nytt verktyg. Det kommer inte bara att hitta användbara applikationer inom kvantinformationsteknik, men också i spinnbaserade spektroskopimetoder, "säger Rudolf Gross, medförfattare och chef för Walther-Meissner-institutet.