具有極高的靈敏度和速度

阿圖爾·韋德拉教授。圖片：Koziel/TUK

感測器能夠收集某些引數，例如的溫度和氣壓。來自凱澤斯勞滕和漢諾威的物理學家們首次成功地將單個銫（cesium）原子用作超冷溫度的感測器。為了確定測量資料，他們使用了量子態 - 原子的自旋狀態或角動量。通過測量自旋狀態，他們測量了超冷氣體的溫度和磁場。該系統具有特別高的靈敏度。這樣的感測器可以在將來用於例如研究無干擾的量子系統。這項工作發表在《物理評論X》上。

超冷氣體的單原子量子探測

量子物理學家，凱澤斯勞滕理工大學的阿圖爾·韋德拉（Artur Widera）教授設計的實驗中，對冷卻到接近絕對零度中的銣（rubidium）氣體中的單個銫原子進行觀測。溫度僅比該絕對零度高出十億分之一度。他們研究了銫原子的自旋狀態是否可用於獲取資訊。“自旋一詞是指原子的固有角動量，”韋德拉教授解釋說。“在銫中，這種旋轉有七個不同的方向。” 他們的研究集中在氣體溫度上。

銫元素

一旦將單個銫原子引入銣氣體,原子就會與其碰撞。該研究的首席科學家，第一作者昆汀·布頓（Quentin Bouton）博士解釋說：“這使原子之間可以交換角動量，直到達到自旋平衡為止。” 研究人員測量單個原子的自旋，從而可以確定溫度。將該方法與物理學家獲得相同溫度值的常規測量方法進行比較，可以證實其成功。

該研究的特色是測量的高靈敏度。在典型的測量中，需要使感測器與冷氣體接觸並直至達到平衡。“事實上，對於量子感測器來說，平衡時的靈敏度存在根本限制。但是，我們事先包含了銫和銣之間相互作用的資訊，因此我們不必等到原子與氣體銣達到平衡時就可以了。”，布頓繼續說道。結果，研究人員的測量系統的靈敏度比基本量子極限所需的靈敏度高約10倍。

銣繼續說：“我們只需要三個自旋交換過程（換句話說，就是三個原子碰撞）就可以得出結果。” 因此，氣體銣的擾動也被限制為三個量子。這是朝著以儘可能少的擾動測量敏感的量子系統邁出的重要一步，這對於量子技術的未來應用很重要。

單原子感測器獲得的量子自旋狀態分佈

韋德拉指出：“這是我們第一次使用單個原子作為感測器，該感測器使用量子資訊，並且明顯優於傳統感測器。” 物理學家還利用磁場進行了該實驗，並記錄了磁場狀態。這種新穎且高度靈敏的感測器適用於幾乎不破壞地檢查脆弱的量子系統。

除了韋德拉教授的工作組之外，漢諾威的埃伯哈德·蒂曼（Eberhard Tiemann）教授也參與了這項工作。