En forskargrupp har för första gången insett kvantförstärkningen av ett extremt svagt magnetfält genom att använda mörkt spinn, där magnetfältets förstoring överstiger en faktor 5 000 och det enda magnetiska fältets mätnoggrannhet når 0,1 fT nivå. Studien publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Kvantförstärkning är ett effektivt sätt att uppnå exakt mätning av ett svagt elektromagnetiskt fält, men prestanda för spinnkvantförstärkning är begränsad på grund av begränsningarna för initiering av gasspinn, koherenstid och avläsningskänslighet. Att övervinna dessa begränsningar är mycket viktigt för att frigöra kvantförstärkningens fulla potential.

För att lösa ovanstående problem har forskare lagt fram konceptet med mörk-tillstånd spin quantum amplifiering och utfört experiment i det blandade systemet av gasformiga xenon- och rubidiumatomer. I detta system används gasformiga xenonatomer som amplifieringsmedium och rubidiumatomer polariserade med laser används som polariserings- och avläsningsmedel för xenonkärnans spinn.

Till skillnad från tidigare experiment där de blandade gasformiga atomerna befinner sig i samma utrymme, utförs processerna för polarisering, amplifiering och avläsning vanligtvis samtidigt. Forskarna i denna artikel har hittat ett nytt sätt att separera processerna för polarisering, förstärkning och avläsning genom att manipulera de experimentella förhållandena, såsom rubidiumatompolariserad laser och xenonatomförspänningsmagnetfält, så att xenonkärnan snurrar i mörkt tillstånd under kvantförstärkningsprocessen, som är fri från störningar från polariserade rubidiumatomer och utövar mer potential för kvantförstärkning.

Forskarna fann att spinkoherenstiden för en xenonkärna i mörkt tillstånd i detta system är så lång som 6 minuter, vilket är en storleksordning högre än tidigare. Den observerade förstärkningen av det längre mörka spinnet på den svaga magnetiska signalen förstärktes med cirka 5 400 gånger. Som en applikation inser kombinationen av mörk spin-förstärkning och atommagnetometer att det minsta detekterbara magnetfältet når sub-femtotesla-nivån (1fT =10 ^-15 T) i en enda mätning (ca 500 sekunder).

Detta arbete belyser biomedicinska fält såsom hjärt-hjärna magnetisk diagnos, extremt svag magnetfältsmätning av kemiska molekyler och upptäckt av mörk materia.

Forskargruppen leddes av prof. Peng Xinhua och biträdande professor Jiang Min från University of Science and Technology China (USTC) vid China Academy of Sciences (CAS).