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单原子磁强计阵列:利用光镊实现超灵敏度和可扩展性

科学探索万象经验2024-06-13

量子传感代表了测量技术的重大飞跃,提供了超越传统方法的灵敏度和精确度。其中一个令人兴奋的方向是量子磁场测量,它利用量子系统以卓越的精度测量磁场。最近发表在《PRX QUANTUM》的一项研究,在这一方向上取得了突破,为开发强大的量子传感平台奠定了基础。

想象一下用激光操纵单个原子,镊子阵列将这一科幻场景变为现实。这些复杂的装置利用高度聚焦的激光束来制造被称为光镊的微观陷阱,将单个原子固定在适当的位置。通过仔细地将这些镊子排列成网格状,科学家们可以创建一系列单独的原子陷阱,每个陷阱容纳一个原子。

这些孤立的原子成为磁场的精密传感器,原因在于原子内部能量状态与外部磁场之间的相互作用。当暴露在光下时,原子可以吸收光子并在这些能量状态之间跃迁。但是,磁场的存在会改变能级,影响原子与光相互作用的方式。通过精确测量这种光相互作用,科学家可以推断原子所经历的磁场的强度和方向。

这种技术被称为光磁强计,由于量子力学的固有特性,它提供了非凡的灵敏度。而镊子阵列方法的优点还在于其可扩展性,数百个单个原子可以被困在网格中,每个原子都充当微型磁强计。这允许创建密集的传感器网络:每个原子被限制在仅0.5平方微米的区域内,间距约为7微米,因此研究人员能够以微米分辨率在二维空间上绘制磁场。

此外,该领域的研究人员还增加了一个可操纵的光学镊子,这允许精确操纵网格中的单个原子。这使得一种强大的功能成为可能——单原子扫描显微镜。通过将原子战略性地移动穿过样品,科学家可以创建具有亚微米精度的磁场变化高分辨率图。这种细节水平对于理解材料和生物磁学中的复杂磁现象至关重要。

该技术的即时应用之一是绘制外部施加的直流梯度磁场。这些场在各种科学学科中至关重要,并且能够使用可扩展的传感器阵列以高精度绘制它们,为进一步探索开辟了令人兴奋的途径。
(www.wS46.com)

这项技术的潜在应用远远超出了基础研究。例如,量子感应在镊子阵列中的高灵敏度可用于检测人脑发出的极其微弱的磁信号,为非侵入性脑成像的进步铺平道路。此外,它还可以通过检测生物样品中特定分子的磁特征来在超灵敏医学诊断中找到应用。

虽然该技术仍处于早期阶段,但量子感应在镊子阵列中的发展代表了磁场传感领域的重要飞跃。凭借其创建高分辨率、可扩展传感器网格的能力,该技术在揭示各种科学学科中磁性的奥秘方面具有巨大的前景。未来的研究可能会集中于进一步提高灵敏度,并推动这种创新方法的分辨率极限。随着这些进步的展开,我们可以期待量子感应在镊子阵列中彻底改变我们对磁性的理解,并开启磁场探索的新时代。

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