Найден способ улучшить чувствительность и точность квантового сенсора
Физики из Института спектроскопии РАН и НИУ ВШЭ смогли удержать атомы рубидия-87 в ловушке более четырех секунд. Использование их метода удержания повысит точность квантовых сенсоров, в работе которых важны как количество, так и время удержания атомов. Такие квантовые системы используют для исследований темной материи, улучшения навигационных систем и поиска полезных ископаемых.
Результаты исследования опубликованы в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики». Квантовые сенсоры — устройства, которые используют эффекты квантовой механики для изучения материи. С их помощью стало возможно улавливать мельчайшие изменения в гравитационных и магнитных полях, а также с высокой точностью измерять ускорение и вращение Земли. Это направление современной прикладной физики способно изменить представления о точности измерений физических величин.
Атомы нельзя просто поместить в сенсор и успокоиться, они не останутся там и на минуту из-за теплового движения. Чтобы удерживать атомы в определенной области, ученые замедляют их, охлаждая разными способами в несколько этапов. Первый из них — охлаждение и захват атомов в магнито-оптические ловушки (МОЛ). Такие ловушки создают с помощью лазерных и магнитных полей. Для создания распределений магнитных полей в компактных устройствах понадобится атомный чип.
«Каждый из этапов охлаждения уменьшает количество атомов в рабочем объеме сенсора, а это снижает точность прибора. Поэтому нам важно собрать как можно больше атомов на этапе подготовки первичного ансамбля, чтобы точность квантового сенсора осталась высокой после всех стадий охлаждения», — объясняет ключевую проблему создания квантовых сенсоров на основе холодных атомов Дарья Быкова, преподаватель факультета физики, аспирантка НИУ ВШЭ.
Первичное охлаждение до температуры порядка сотни микрокельвинов значительно замедляет тепловое движение атомов, что помогает удерживать их в выбранной области пространства. Снижение температуры обеспечивают лазерным излучением: воздействие луча лазера заставляет атомы терять кинетическую энергию и двигаться медленнее. Вместе лазерное излучение и магнитное поле удерживают атомы на месте достаточно долго для проведения экспериментов, то есть формируют ловушку, из которой атомам непросто выбраться. На следующей стадии, уже без лазерного поля, атомы охлаждают до температуры около сотни нанокельвинов, то есть еще в тысячу раз.
«Можно сказать, что мы “толкаем” атомы лазерным излучением к центру ловушки. Они оказываются в ней заперты магнитным полем и постоянным давлением света», — комментирует Дарья Быкова.
Одна из эффективных технологий, которая дает исследователям возможность уменьшать размеры квантовых сенсоров и улучшать их энергоэффективность, — атомный чип. Он формирует вблизи своей поверхности магнитное поле, необходимое для создания ловушек, и позволяет охлаждать и локализовывать ансамбли атомов вблизи своей поверхности.
В отделе лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН студенты и аспиранты НИУ ВШЭ сформировали ловушки с применением технологии атомного чипа. В этой конфигурации они смогли удержать атомы в нужной области на продолжительное для квантовых технологий время — на четыре секунды.
Исследователи экспериментально показали, что при использовании атомного пучка для загрузки атомов в МОЛ на чипе количество локализованных атомов резко возрастает по сравнению с загрузкой из атомных паров в вакуумной камере. Также они подтвердили, что могут эффективно контролировать загрузку атомной ловушки. Они смогли корректировать расположение пучка атомов с помощью лазерных полей. Такое сочетание технологий значительно увеличило скорость загрузки при сохранении ультравысокого вакуума в области атомного чипа по сравнению с предыдущими экспериментами.
«Мы нашли оптимальные условия загрузки в МОЛ и удержали достаточное для стабильной работы количество атомов в ловушке — 4,9×10⁷. Время жизни ансамбля — 4,1 секунды, этого хватит, чтобы провести следующие стадии более глубокого охлаждения и создать прототип квантового сенсора», — рассказал Антон Афанасьев, доцент базовой кафедры квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН факультета физики НИУ ВШЭ, старший научный сотрудник Института спектроскопии РАН.
Работа поддержана Научным фондом НИУ ВШЭ и выполнена в отделе лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН.
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Сверхпроводимость очень чувствительна к внутренней организации материала, в котором проявляется. Чтобы уговорить эту «птицу счастья» стабильно работать, физики тщательно следят практически за каждым атомом в сверхпроводниках и всеми воздействиями электромагнитных полей. Ученые могут контролировать хаотичные процессы в материалах, но могут их и использовать.
Больше половины студентов регулярно читают учебные тексты под музыку, хотя многие научные работы утверждают, что это вредит пониманию текста. Исследователи из Университета Эдит Коуэн выяснили, что эта привычка определяется не когнитивными способностями вроде силы внимания, а тем, насколько важную роль музыка играет в жизни конкретного человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно