Исследовательская группа из Германии в своей последней работе продемонстрировала высокоточный детектор, построенный на основе 12 тысяч ультрахолодных атомов, зафиксированных в одномерном массиве ловушек. Принцип действия детектора основан на квантовых свойствах атомов. С его помощью исследователи с высокой точностью измерили параметры магнитного поля. В перспективе та же техника измерений может привести к точным экспериментам по проверке общей теории относительности, а также к повышению точности атомных часов.

Атомная интерферометрия позволяет проводить высокоточные измерения любых полей, способных влиять на квантовые волны атомов, к примеру, гравитационных или магнитных. Методика предоставляет особенно точный результат, если атомы находятся в так называемом конденсированном состоянии Бозе-Эйнштейна – общем (ультрахолодном) квантовом состоянии, в котором атомы ведут себя, как единый объект.

К примеру, для высокоточного измерения магнитного поля ученые могут разместить конденсат Бозе-Эйнштейна в интересующей их области, а затем определить частоту микроволнового излучения, необходимого для возбуждения конкретного атомного перехода между двумя магниточувствительными состояниями.

Для повышения точности подобных измерений необходимо оценить как можно больше атомов, поскольку это дает возможность, используя усреднение, снизить неопределенность.

Проблема заключается в том, что увеличение числа атомов в детекторе – процесс чрезвычайно сложный. При попытке поместить большее число атомов в конденсат Бозе-Эйнштейна фиксированного объема с ростом плотности растет и вероятность образования из некоторых пар атомов молекул. Таким образом, часть атомов просто «выпадают» из конденсата. Если же увеличить объем ловушки для сохранения плотности вещества, становится труднее держать Бозе-Эйнштейн конденсат под контролем.

Для решения этой проблемы группа ученых из University of Heidelberg (Германия) вместо использования одной большой ловушки для конденсата при помощи лазера создала целый одномерный массив маленьких ловушек, расположенных на расстоянии 5 мкм друг от друга. При этом каждый отдельный конденсат атомов оказывается в независимом от других состояний, но все они могут быть измерены одновременно.

В рамках своего эксперимента команда успешно измеряла одновременно до 30 конденсатов, каждый из которых содержал от 300 до 600 атомов рубидия-87, охлажденного до температуры порядка 10 нанокельвинов.

Большее количество атомов уменьшает статистическую неопределенность измерений, но команда ученых для повышения точности использовала также технику спинового сжатия, которая ранее применялась при работе с одним единственным Бозе-Эйнштейн конденсатом.

Методика позволяет снизить квантовую неопределенность одной переменной (к примеру, положения в пространстве) «в обмен» на увеличение неопределенности другой (например, импульса). Это не противоречит принципу неопределенности, который дает ограничение на точность не каждой величины в отдельности, а их произведения.

В ходе экспериментов ученые обнаружили, что

построенный ими детектор имеет чувствительность около 310 пикотесла (при измерении магнитного поля). Также они смогли фиксировать градиент магнитного поля около 12 пикотесла на микрометр – это крайне высокое пространственное разрешение.

Особенности нового детектора делают его идеальной системой для работы с магнитными полями в микроскопии. А поскольку атомные состояния также могут быть чувствительны к движению, метод в перспективе может обеспечить проверку точности общей теории относительности, а также предоставит возможность обнаружения гравитационных волн.

Детально результаты работы ученых описаны в журнале Physical Letters Review.