Les chercheurs ont découvert un moyen simple mais puissant de protéger les atomes contre la perte d'informations - un défi clé dans le développement de technologies quantiques fiables.
En faisant briller un seul faisceau laser soigneusement réglé sur un gaz d'atomes, ils ont réussi à maintenir les spins internes des atomes synchronisés, réduisant considérablement le taux auquel les informations sont perdues. Dans les capteurs quantiques et les systèmes de mémoire, les atomes perdent souvent leur orientation magnétique - ou "spin" - lorsqu'ils se heurtent les uns aux autres ou les murs de leur récipient.
Ce phénomène, connu sous le nom de relaxation du spin, limite gravement les performances et la stabilité de ces appareils. Les méthodes traditionnelles pour le contrer ont nécessité de fonctionner dans des champs magnétiques extrêmement faibles et l'utilisation de blindage magnétique volumineux.
La nouvelle méthode contourne complètement ces contraintes. Au lieu de protéger magnétiquement le système, il utilise la lumière pour déplacer subtilement des niveaux d'énergie atomique, aligner les tours des atomes et les garder en synchronisation, même s'ils se déplacent et se heurtent. Cela crée un état de spin plus résilient qui est naturellement protégé de la décohérence.
Dans les expériences en laboratoire avec une vapeur de césium chaud, la technique a réduit la décroissance du spin d'un facteur de 10 et a considérablement amélioré la sensibilité magnétique. Cette percée démontre qu'un seul faisceau de lumière peut prolonger le temps de cohérence des tours atomiques, ouvrant la porte à des capteurs quantiques plus compacts, précis et robustes, des magnétomètres et des dispositifs de mémoire.
Une équipe de physiciens du département de physique appliquée de l'Université hébraïque et du centre de nanosciences et de nanotechnologies, en collaboration avec l'École de physique appliquée et d'ingénierie à l'Université Cornell, a dévoilé une nouvelle méthode puissante pour protéger les spins atomiques de la «durabilité des techniciens»- et des systèmes de navigation importants.
L'étude, «Protection optique des atomes de métaux alcalins - contre la relaxation du spin», par Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, le professeur Ori Katz (Université Hebrew), et le professeur ou Katz (Cornell University), ont été publiés enLettres d'examen physiqueet peut potentiellement révolutionner les champs qui dépendent de la détection magnétique et de la cohérence atomique.
Les atomes avec des électrons non appariés - tels que ceux de la vapeur de césium - ont une propriété de "spin" "interagir fortement avec les champs magnétiques et peuvent donc être utilisés pour les mesures sensibles ultra- des champs magnétiques, de la gravité et même de l'activité cérébrale. Mais ces tours sont notoirement fragiles.
Même la moindre perturbation des atomes ou des murs de conteneurs environnants peut les faire perdre leur orientation, un processus connu sous le nom de relaxation de spin. Jusqu'à présent, la protection de ces tours de ces interférences a nécessité des configurations compliquées ou n'a fonctionné que dans des conditions très spécifiques. La nouvelle méthode change cela.
Lumière laser comme bouclier
Les chercheurs ont développé une technique qui utilise un seul faisceau laser avec précision pour synchroniser la précession des spins atomiques dans le champ magnétique - même si les atomes entrent en collision constamment les uns avec les autres et leur environnement.
Imaginez un scénario où des centaines de petits hauts de rotation sont confinés dans une boîte. En règle générale, les interactions entre ces sommets peuvent perturber leurs configurations de spin, provoquant la chute de l'ensemble du système. Cet effet devient beaucoup plus dominant dans les champs magnétiques élevés, car les TOP sont et modifient leur orientation beaucoup plus rapidement.
Cependant, une méthode spécifique utilise la lumière pour maintenir la synchronisation dans le système. En abordant les différences dans les différentes configurations de spin, la lumière maintient effectivement tous les sommets en harmonie, en empêchant le trouble et en permettant un comportement coopératif parmi les entités en rotation, même dans des champs magnétiques élevés. Cette approche met en évidence l'interaction fascinante entre la dynamique de la lumière et du spin atomique.
Les chercheurs ont obtenu une amélioration de neuf - dans la durée des atomes de césium ont maintenu leur orientation de spin. Remarquablement, cette protection fonctionne même lorsque les atomes rebondissent sur une relaxation spéciale anti-- - parois cellulaires revêtues et connaissant fréquemment des collisions internes.
Potentiel mondial réel -
Cette technique pourrait améliorer considérablement les dispositifs qui reposent sur les spins atomiques, notamment:
Capteurs et magnétomètres quantiques utilisés en imagerie médicale, archéologie et exploration de l'espace
Systèmes de navigation de précision qui ne comptent pas sur le GPS
Plate-formes d'information quantique où la stabilité du spin est la clé pour stocker et traitement des informations
Étant donné que la méthode fonctionne dans des environnements "chauds" et ne nécessite pas de refroidissement extrême ou de réglage du champ compliqué, il pourrait être plus pratique pour les applications mondiales réelles - que les approches existantes.
"Cette approche ouvre un nouveau chapitre dans la protection des systèmes quantiques contre le bruit", ont déclaré les chercheurs. "En exploitant le mouvement naturel des atomes et en utilisant la lumière comme stabilisateur, nous pouvons désormais préserver la cohérence dans un éventail plus large de conditions que jamais."
La recherche s'appuie sur des décennies de travail en physique atomique, mais cette solution simple et élégante - en utilisant la lumière pour coordonner les atomes - est un bond en avant. Il peut ouvrir la voie à des technologies quantiques plus robustes, précises et accessibles dans un avenir proche.
