Floquet-tillstånd och experimentet med Floquet-spinförstärkning. Kredit:Prof. Peng Xinhuas grupp
Detektering av svaga signaler är ett avgörande steg i verifieringen av fysikhypoteser och för att göra genombrott inom banbrytande och grundläggande fysikforskning. Men om signalerna är för svaga för att mäta behöver de förbättras. Ett attraktivt sätt att förstärka signalerna är kvantförstärkning. De senaste kvantförstärkningsteknikerna har fortfarande vissa begränsningar eftersom de är beroende av de inneboende diskreta tillståndsövergångarna för atomer och molekyler och därför saknar avstämningsförmåga, vilket vanligtvis bara förbättrar en signal inom ett smalt frekvensområde.
För att lösa detta problem utökade forskargruppen under ledning av prof. Peng Xinhua från University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin, i samarbete med prof. Dmitry Budker från Helmholtz Institution i Mainz, kvantförstärkning till att periodiskt drivna snurr. Resultatet publicerades i Physical Review Letters .
Periodiskt drivna system, eller Floquet-system, beskrivs av tidsberoende, periodiska Hamiltonianer. Ett Floquet-system har energinivåer med lika energigap, och systemets tillstånd kan hoppa mellan olika energinivåer via resonansövergångar. Kombinationen av kvantförstärkning och Floquet-systemet är lovande för att övervinna begränsningarna hos konventionella kvantförstärkningsmetoder.
Forskarna körde med jämna mellanrum 129 Xe ädelgas med ett oscillerande fält. Hamiltonians av 129 Xe-snurr blev då tidsperiodiska, och systemet fick extra syntetiska dimensioner, vilket tillåter resonansövergångar i ett bredare frekvensområde. Med denna 129 Xe Floquet spin system, forskare demonstrerade förstärkningen av flera svaga elektromagnetiska vågor samtidigt, både i teorin och experiment.
Detta arbete utökar kvantförstärkning till Floquet-system och observerar en ny typ av amplifieringsfenomen - Floquet-spinförstärkning. Det övervinner till stor del begränsningarna hos konventionella förstärkare, ökar operationsbandbredden i femtotesla-nivåmätningar och tillåter förstärkning av mer än en signal vid olika frekvenser under tiden. Denna Floquet-förstärkare möjliggör ett brett spektrum av tillämpningar inom precisionsmätningar och i studier av fundamental fysik. + Utforska vidare
