Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги


Д. Вибе
Телескопы с жидкими линзами: как это работает


А. Паевский
Ближайший космос. Быстрее. Лучше. Дешевле


Р. Фишман
Прионы: смертоносные молекулы-зомби


Д. Мамонтов
Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса?


Р. Эспарза, Р. Фишман
Марс: научный гид







Главная / Новости науки версия для печати

Бозе-конденсат в сжатом спиновом состоянии стал основной для нового датчика магнитного поля с микронным разрешением


Методика трехмерного картографирования переменного магнитного поля с микронным разрешением. Бозе-эйнштейновский конденсат размером несколько микрон удерживается в магнитной ловушке

Рис. 1. Методика трехмерного картографирования переменного магнитного поля с микронным разрешением. Бозе-эйнштейновский конденсат размером несколько микрон удерживается в магнитной ловушке. Управляя ловушкой, можно перемещать конденсат над поверхностью, по которой текут высокочастотные токи, и локально измерять амплитуду переменного магнитного поля. Размер всей показанной области — примерно 100 микрон. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

Швейцарские физики создали чувствительный зонд, способный сканировать высокочастотное магнитное поле с пространственным разрешением в несколько микрон. Чувствительным элементом зонда является атомный бозе-конденсат в сжатом спиновом состоянии, благодаря чему удается превзойти стандартный квантовый предел точности измерений.

В последнем выпуске журнала Physical Review Letters появилась статья, в которой сообщается о разработке любопытного измерительного устройства. Исследовательская группа из Базельского университета в Швейцарии сконструировала очень чувствительный микроскопический зонд, который позволяет измерять слабое и очень быстро осциллирующее магнитное поле и строить трехмерную карту его распределения с разрешением в несколько микрон (рис. 1). Разумеется, датчики магнитного поля, и притом куда более чувствительные, существуют давно, но они либо имеют намного худшее пространственное разрешение (миллиметры или даже сантиметры), либо работают только с постоянными или медленно меняющимися магнитными полями. Преимущество нового устройства именно в том, что в нем достигнута высокая точность измерения поля при микронном разрешении и для гигагерцовых частот колебаний магнитного поля. Идеальная сфера применения такого устройства — зондирование ближнего магнитного поля в сложных электромагнитных микроструктурах, например при разработке миниатюрных сверхпроводниковых устройств для обработки квантовой информации.

Эта статья выглядела бы простым анонсом сугубо технической новинки, если бы не одно «но». И заголовок статьи, и ее аннотация пестрят квантовыми терминами: квантовая метрология, атомный интерферометр, бозе-эйнштейновский конденсат, атомный чип, квантово-запутанные состояния. И тут впору удивляться: неужели вся эта серьезная квантовая наука используется для работы такого, казалось бы, незамысловатого устройства?

Оказывается, да. Главная научная ценность этой работы состоит не столько в том, что физики научились мерить магнитное поле с таким пространственным разрешением и на таких частотах, а в том, что измерение это осуществляется с преодолением стандартного квантового предела измерения. А это с неизбежностью означает, что «сердцем» нового устройства является нечто, находящееся в специально приготовленном квантовом состоянии.

Атомная интерферометрия

Сначала расскажем вкратце о том, что такое атомный интерферометр. В экспериментальной физике есть широко распространенный способ аккуратно измерять самые разные величины — это оптическая интерферометрия. Вариантов этой схемы существует множество, но в самом простейшем виде она опирается на такую идею (рис. 2, слева).

Принципиальная схема работы оптического и атомного интерферометров

Рис. 2. Принципиальная схема работы оптического интерферометра (слева) и атомного интерферометра (справа). В обоих случаях «чувствительный элемент» (лазерный луч или облачко атомов) переводится в суперпозицию двух состояний, которые находятся в разных условиях и между которыми накапливается разность фаз. Изображения с сайтов spie.org и www.physik.hu-berlin.de

Возьмем лазерный луч и пропустим его через полупрозрачное зеркало; тогда он расщепится на два луча, которые дальше пойдут по разным путям. С помощью системы зеркал их можно направлять независимо, а потом объединить вместе. Эти два луча, несмотря на свою пространственную разделённость, когерентны друг с другом (электрические и магнитные поля в них колеблются синхронно), и эта когерентность сохраняется и в момент объединения. Однако эти лучи шли разными путями, находились в разных условиях и, значит, колебались слегка по-разному. Поэтому при объединении у двух лучей обнаружится некая разница фаз электромагнитных колебаний. Эту разницу фаз можно измерить по интерференционной картине, и она несет в себе информацию о том, как различались условия на пути двух лучей.

Например, один луч можно пропустить над нагретым телом (Test Arm на рис. 2), а второй — вдали от него. Поскольку при нагревании воздуха коэффициент преломления слегка меняется, луч света будет идти через нагретый участок чуть быстрее. Возникнет дополнительная разность фаз, которая зависит от температуры нагрева; ее можно будет определить по картине интерференции и тем самым измерить температуру воздуха.

Атомный интерферометр — это реализация той же идеи, но только не с лазерным светом, а с холодным микроскопическим облачком атомов (рис. 2, справа). Такое облачко удерживается и управляется внешними магнитными полями (здесь мы описываем не самую общую схему, а ту, что использовалась в новой статье). «Внутренняя жизнь» этого облачка, то есть состояние спина у его атомов, контролируется специально приготовленными радиоимпульсами нужной длительности и частоты. Более того, вместо пространственного разделения, которое было у оптического интерферометра, можно использовать спиновое разделение, то есть расщепление на два спиновых состояния. Это полезно тем, что разные спиновые состояния по-разному взаимодействуют с внешним магнитным полем. Поэтому если взять один атом, приготовленный в первом спиновом состоянии, «расщепить его» (то есть перевести в суперпозицию двух спиновых состояний) и дать ему какое-то время повисеть в магнитном поле, то две «ипостаси» атома приобретут разность фаз. После их воссоединения, когда атом становится цельным состоянием, он уже окажется не в начальном, а в каком-то новом состоянии. Измеряя это состояние, можно найти разность фаз и тем самым измерить магнитное поле, повлиявшее на судьбу атома.

Стандартный квантовый предел и его преодоление

Когда схема работы измерительного устройства обрисована, остается аккуратно ее реализовать и максимально точно измерить поле. Но тут существует важное ограничение на точность измерений в интерферометрах, которое носит название стандартный квантовый предел. Подчеркнем, что это ограничение не техническое, а физическое, и для того, чтобы с ним бороться, нужно не уточнять параметры установки, а менять саму схему измерения.

Когда вы выполняете какое-то квантовое измерение, вам неизбежно приходится работать с отдельными частицами, будь то атомы или фотоны. Каждый конкретный акт регистрации частицы приводит к большой погрешности, и поэтому вам приходится ставить этот эксперимент многократно, то есть регистрировать большое число частиц и потом восстанавливать по ним усредненную картину. Гладкие интерференционные полоски, которые позволяют измерить фазовый сдвиг между двумя лучами в интерферометре, получаются только после усреднения по большому числу частиц. В случае атомного интерферометра это тоже означает, что нужно работать не с одним атомом, а с облачком из N атомов. Погрешность измерения при этом уменьшается, но довольно медленно, пропорционально 1/√N. Это и есть стандартный квантовый предел. (Вообще, под этим термином в разных контекстах понимают слегка отличающиеся вещи, поэтому уточним, что это стандартный квантовый предел для интерферометрических измерений.)

Конечно, если у вас есть очень много частиц, вы эту погрешность можете уменьшить. Но тогда вам неизбежно придется работать с большим облачком атомов, а значит, пространственное разрешение этого измерительного прибора ухудшится. Улучшить это разрешение можно, лишь уменьшив размер облачка, но тогда в нем будет слишком мало атомов, и ухудшится погрешность измерения.

Разорвать этот замкнутый круг помогают только методики измерения, которые способны преодолеть стандартный квантовый предел. Такая методика должна неизбежно работать не с независимыми, а с квантово-запутанными атомами, что и достигается с помощью бозе-конденсата. Поскольку при таком способе измерения на полную катушку используются квантовые свойства измерительного устройства, эта область экспериментальной физики называется «квантовая метрология».

Вообще говоря, формулировка «преодолеть стандартный квантовый предел» поначалу может показаться подозрительной: неужели мы собираемся идти в обход ограничений квантовой механики, нарушать ее законы? Нет, всё не так драматично. Квантовая механика не утверждает, что стандартный квантовый предел — это абсолютно непреодолимый барьер. Она лишь утверждает, что это будет барьер для большого количества нескоррелированных измерений. В случае атомного интерферометра — для большого числа нескоррелированных по фазе атомов. Но если измерения квантово коррелированы, то есть если облачко атомов приготовлено в определенном квантовом состоянии, то тогда погрешность можно уменьшить еще сильнее, вплоть до значений порядка 1/N.

Итак, стандартный квантовый предел — это не фундаментальное физическое ограничение, а всего лишь результат неоптимальной стратегии измерения. И если мы хотим это ограничение преодолеть, нам нужно стратегию оптимизировать.

Бозе-конденсат с сжатым спиновым состоянием

В принципе, все эти выводы известны уже давно, но их практическое воплощение в атомных интерферометрах представляет существенные трудности. Опуская все технические детали, скажем только, что реализованный в новой статье метод использует спиновый аналог сжатых состояний света (которые, кстати, недавно были использованы для повышения чувствительности детектора гравитационных волн LIGO). Благодаря тому что облачко атомов находилось в состоянии бозе-конденсата, оно вело себя как единый квантовый объект, то есть, описывалось коллективным спином, а большое число частиц в конденсате позволило существенно уменьшить неопределенность измерения фазы.

Этапы эволюции бозе-конденсата в атомном интерферометре с сжатым спиновым состоянием и последовательность управляющих воздействий на него с течением времени

Рис. 3. Вверху: шесть этапов эволюции спина бозе-конденсата в атомном интерферометре с сжатым спиновым состоянием. Серый кружок — это сфера всех возможных состояний коллективного спина конденсата; пятнышко на ней изображает состояние конденсата на текущем этапе. Внизу: последовательность управляющих воздействий с течением времени. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

Некоторые подробности этой процедуры изображены на рис. 3. Здесь для наглядности спиновое состояние конденсата показано геометрически, как пятнышко на сфере всех возможных состояний (блоховская сфера). Направления на этой сфере вбок и вверх-вниз отвечают двум дополняющим друг друга величинам: фазе волны и дисбалансу между числом атомов в состоянии со спином вверх и вниз. Последовательность этапов в этой методике такая. Сперва приготавливается начальное когерентное спиновое состояние с умеренной неопределенностью фазы (этап 1). Затем это состояние превращается в сжатое спиновое состояние с очень большой неопределенностью фазы (этапы 2 и 3); пятнышко превращается в «иголку» на блоховской сфере. На этом этапе конденсат готов к работе, и его подносят в нужное место для измерения поля. Потом эта «иголка» разворачивается, превращаясь в состояние с большой неопределенностью по количеству атомов, но очень маленькой неопределенностью по фазе (этап 4). Затем, благодаря взаимодействию с магнитным полем, в течение фиксированного времени возникает сдвиг фазы (этап 5). И наконец, он превращается в дисбаланс числа атомов, который уже доступен прямому измерению.

Улучшение по сравнению со стандартным квантовым пределом, достигнутое в работе, пока не так велико: примерно в два раза. Но статья продемонстрировала, что оно возможно и что уже сейчас оно приводит к практическим результатам, которые для такого пространственного разрешения и такого диапазона частот являются рекордными. И есть задачи, для которых разработанный зонд окажется передовым инструментом исследования, и особенно приятно, что в таком устройстве вовсю используется сразу несколько проявлений квантовой природы вещества.

Источник: C. F. Ockeloen, R. Schmied, M. F. Riedel, and Ph. Treutlein. Quantum Metrology with a Scanning Probe Atom Interferometer // Phys. Rev. Lett. 111, 143001 (2013); статья находится в свободном доступе.

Игорь Иванов


Комментарии (8)



Последние новости: ФизикаИгорь Иванов

27.06
Коллайдер достиг проектной светимости
23.06
Поиск двухфотонного пика в новых данных ведется слепым анализом
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
15.06
Вышли статьи ATLAS и CMS о двухфотонном пике при 750 ГэВ
14.06
Коллайдер штампует рекорды
8.06
Опубликованы окончательные результаты по хиггсовскому бозону в сеансе Run 1
7.06
CMS опробовал новую методику «разведки данных»
7.06
LHC выходит на запланированный темп набора данных
6.06
Улучшено ограничение сверху на ширину бозона Хиггса
3.06
Распад бозона Хиггса на мюон и тау-лептон не находит подтверждения в новых данных

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия