Spin noise correlations in multispecies hot atomic vapors

Abstract

Οι συγκρούσεις ανταλλαγής σπιν στα αλκαλικά ατομικά αέρια αποτελούν θεμέλιο για μια πληθώρα από θεμελιώδης και εφαρμοσμένες έρευνες όπως οι μελέτες της πυρηνικής δομής και των θεμελιωδών συμμετριών, τα ευαίσθητα ατομικά μαγνητόμετρα, ο μαγνητικός συντονισμός και η βιομαγνητική απεικόνιση. Τα αποτελέσματα των συγκρούσεων ανταλλαγής σπιν στο ατομικό σύστημα είναι πολύπλούσια και διαφέρουν ανάλογα τις συνθήκες: Μπορούν να προκαλέσουν αποσυμφωνία και να δημιουργήσουν θόρυβο σπιν ή μπορούν να μεταφέρουν πόλωση σπιν και κβαντική συμφωνία χωρίς να συνεισφέρουν στην αποσυμφωνία του ολικού σπιν του αερίου. Πρόσφατα, με την ανάπτυξη των κβαντικών μετρήσεων και της κβαντικής τεχνολογίας, οι συγκρούσεις ανταλλαγής σπιν έχουν τραβήξει αρκετά το ενδιαφέρον σαν ένας πόρος για την κβαντική μετρολογία και σαν πιθανή πηγή κβαντικού θορύβου. Κάναμε ένα πείραμα ακρίβειας το οποίο αφορά συσχετίσεις θορύβου σπιν σε πολυατομικά θερμά ατομικά αέρια. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρούμε μη μηδενικές συσχετίσεις σπιν θορύβου και φαινόμενα μεταφορά κβαντικής συμφωνίας σε θερμική ισορροπία μεταξύ των σπιν των αλκαλικών ατόμων 133Cs και 87Rb, τα οποία έχουν από την φύση τους διαφορετικούς γυρομαγνητικούς λόγους. Και τα δύο αυτά αποτελέσματα πηγάζουν από τις αυθόρμητες και ακατάπαυστες συγκρούσεις ανταλλαγής σπιν οι οποίες τείνουν να συζεύξουν τα δυο ατομικά συστήματα μέσω της σύμφωνης ανταλλαγής σπιν. Ερευνούμε την συμπεριφορά των αυθόρμητων συσχετίσεων θορύβου σπιν τόσο σε μία ισχυρά συζευγμένη περιοχή, σε μικρά μαγνητικά πεδία, όπου ο ρυθμός των συγκρούσεων ανταλλαγής σπιν είναι μεγαλύτερος από την διαφορά των Larmor συχνοτήτων των δυο αερίων και σε μία ασθενώς συζευγμένη περιοχή, σε μεγαλύτερα μαγνητικά πεδία, όπου η μεγάλη συχνότητα Larmor τείνει να συρρικνώσει τις σχηματισμένες συσχετίσεις. Σε θεωρητικό επίπεδο, αναπτύξαμε μια εικόνα κβαντικών τροχιών των αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής σπιν, η οποία είναι σε συμφωνία με την γεννήτρια εξίσωση που περιγράφει την δυναμική του πίνακα πυκνότητας. Στην συνέχεια χρησιμοποιούμε τις κβαντικές τροχιές για να δείξουμε την φύση των συσχετίσεων θορύβου οι οποίες αναπτύσσονται αυθόρμητα σε πολυατομικά συστήματα και συχνά χρησιμοποιούνται σε ευαίσθητες μετρήσεις του σπιν. Τέλος, δείχνουμε ότι οι συγκρούσεις ανταλλαγής σπιν στα θερμά ατομικά αέρια δημιουργούν αυθόρμητα ισχυρές δυαδικές συμπλέξεις, τις οποίες και ποσοτικοποιούμε χρησιμοποιώντας τα εργαλεία της θεωρίας της κβαντικής πληροφορίας. Οι συμπλέξεις αυτές έχουν χρόνο ζωής τουλάχιστον ίσο με τον χρόνο των συγκρούσεων ανταλλαγής σπιν και επηρεάζουν άμεσα μετρούμενα μεγέθη που σχετίζονται με τον θόρυβο σπιν. Παρουσιάζουμε ένα θεωρητικό παράδειγμα όπου ένα θερμό και πυκνό ατομικό αέριο μπορεί να διατηρήσει δυαδικές και ίσως και ανώτερης τάξης κβαντικές συμπλέξεις. Βαθύτερη κατανόηση των συγκρούσεων ανταλλαγής σπιν στα θερμά αέρια δυο διαφορετικών ειδών μπορεί να συνεισφέρει στην βελτίωση της λειτουργίας των ατομικών συσκευών, όπως είναι για παράδειγμα τα ατομικά μαγνητόμετρα, ή στην δημιουργία και ανακάλυψη νέων κβαντικών πρωτοκόλλων ή και νέων ατομικών συσκευών.