Menu Close

Magnetometrija

ARRS projekt J2-8191 – Visokoločljiva optična magnetometrija s hladnimi cezijevimi atomi

Obdobje

1. 5. 2017 – 30. 4. 2021

Vodja projekta

dr. Peter Jeglič

Organizacija prijaviteljica

Institut ‘Jožef Stefan’

Raziskovalci

Dr. Tomaž Apih
Dr. Alan Gregorovič
Dr. Erik Zupanič
Dr. Rok Žitko
Dr. Dušan Ponikvar

Mladi raziskovalci

Tadej Mežnaršič

Tehnični sodelavci

Ivan Kvasić

Sodelujoča raziskovalna organizacija

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko

Raziskovalci

Dr. Samo Beguš
Dr. Vincencij Žužek
Dr. Igor Pušnik
Dr. Valentin Batagelj

Tehnični sodelavci

Slaven Ranogajec
Dr. Jure Kranjec

Vsebinski opis projekta

Atomski magnetometer na vroče pare je kvantni senzor, ki lahko detektira magnetno polje sto miljard krat manjše od zemeljskega magnetnega polja. Senzor temelji na pojavu Faradayeve rotacije polarizacije laserskega žarka pri prehodu skozi celico atomskih par rubidija, kalija ali cezija. Uporabljamo ga lahko za raznovrstne aplikacije zaznavanja magnetnega polja, kot so to magnetna polja biološkega izvora, minskih polj, geološkega izvora ali pri povsem bazičnih fizikalnih eksperimentih. Nedavni napredek v laserskem hlajenju in lovljenju atomov je prinesel povsem nove možnosti visokoločljivih meritev z dolgoživimi, skoraj mirujočimi atomi.

Glavni cilj projekta je bil razvoj visokoločljivega optičnega magnetometra s hladnimi atomi cezija, ki naj bi imel istočasno visoko občutljivost in visoko prostorsko ločljivost. Delovni program je obsegal razvoj magnetometra z vročimi cezijivimi parami (faza 1), novo idejo magnetometra s hladnimi atomi cezija (faza 2) ter razvoj aplikacij (faza 3).

Razvite metode, orodja in prototipi

Razvili smo novo metodo za zaznavanje gradienta magnetnega polja, ki za delovanje uporablja podolgovat oblak cezijevih atomov ohlajenih blizu absolutne ničle. Ker je frekvenca precesije atomov odvisna od velikosti magnetnega polja, lahko iz slike spinskih stanj atomov določimo, kako se velikost magnetnega polja spreminja vzdolž oblaka. Magnetni gradient lahko torej določimo iz ene same slike, kar je prednost pred standardnimi metodami, pri katerih je potrebno pomeriti serijo slik. Natančnost našega gradiometra ni omejena s termičnim gibanjem atomov in znaša pod 20 nT/cm, kar ga uvršča med najnatančnejše merilce gradienta magnetnega polja.

V okviru projekta je nastala magistrska naloga, kjer je natančno opisana uporaba Faradayevega pojava za izdelavo optičnega magnetometra z vročimi cezijevimi atomi, magnetometra s hladnimi cezijevimi atomi in za nedestruktivno slikanje hladnih atomov. S pomočjo slednje metode lahko s serijo Faradayevih slik spremljamo propagacijo hladnih atomov.

Razvili smo programsko orodje za reševanje enačbe Grossa in Pitaevskega, ki je prosto dostopno v obliki paketa za programsko orodje Mathematica. Paket vključuje primere, ki so nastali pri modeliranju naših eksperimentov z Bose-Einsteinovim kondenzatom.

V okviru projekta smo zasnovali in izdelali več prototipov. Primeri so ultrahitre zaslonke za laserske žarke, aktivna stabilizacija in kompenzacija magnetnih polj, PID stabilizacija intenzitete laserskih žarkov, zelo občutljivi polarimetri za zaznavanje Faradayeve rotacije, fotopomnoževalke, tokovni ojačevalniki na frekvenčnem območju do 10 MHz.

S podjetjem Aresis d.o.o., vodilnim svetovnim proizvajalcem vrhunskih optičnih pincet, smo tekom projekta sodelovali pri prvih korakih razvoja nove rešitve za manipulacijo, nadzor in slikanje ultrahladnih atomskih oblakov in posameznih nevtralnih atomov. Sodelovanje uspešno poteka tudi po izteku projekta.

Raziskani fizikalni problemi

Za razvoj magnetometra s hladnimi atomi (faze 2) smo se morali najprej usvojiti metode za hlajenje in lovljenje hladnih atomov in ustvarjanje Bose-Einsteinovega kondenzata. Nato smo se naučili, kako lahko atomske oblake manipuliramo, nadzorujemo in slikamo. Tako smo recimo kot prvi ustvarili cezijeve solitone in solitonske vlake ter preučili njihov nastanek, fragmentacijo in medsebojne trke. Pri ustrezno izbrani interakciji med atomi, lahko privlak med njimi točno kompenzira efekt disperzije in dobimo snovni val, ki mu pravimo soliton. Ker se lahko soliton propagira na dolge razdalje in za dolge čase, ne da bi se pri tem razširil, to omogoča njegovo uporabo v preciznih atomskih senzorjih, kot so gravimetri in senzorji rotacije. Naj omenimo še eskperimente, kjer smo opazovali Bosejeve ognjemete, ki so bili do tedaj opaženi le v dvodimenzionalni geometriji, mi pa smo jih ustvarili v enostavnejši kvazienodimenzionalni geometriji. Proces nastajanja Bosejevih ognjemetov smo opisali s pomočjo preprostega modela na osnovi enačbe Grossa in Pitaevskega. Pri skrbno izbranih parametrih modulacije interakcije med atomi, smo opazili korelacije v številu atomov v parih snovnih valov, ki so onkraj pričakovanih vrednosti za klasične stohastične procese. To je jasna indikacija za kvantno prepletenost atomov v parih snovnih valov.

Bibliografske reference

Reference projektne skupine – Sicris
Single-shot Stern-Gerlach magnetic gradiometer with an expanding cloud of cold cesium atoms
Katja Gosar, Tina Arh, Tadej Mežnaršič, Ivan Kvasič, Dušan Ponikvar, Tomaž Apih, Rainer Kaltenbaek, Rok Žitko, Erik Zupanič, Samo Beguš in Peter Jeglič
Phys. Rev. A 103, 022611 (2021), arXiv:2011.09779
Emission of correlated jets from a driven matter-wave soliton in a quasi-one-dimensional geometry
Tadej Mežnaršič, Rok Žitko, Tina Arh, Katja Gosar, Erik Zupanič in Peter Jeglič
Phys. Rev. A 101, 031601(R) (2020), arXiv:1905.10286
Cesium bright matter-wave solitons and soliton trains
Tadej Mežnaršič, Tina Arh, Jure Brence, Jaka Pišljar, Katja Gosar, Žiga Gosar, Rok Žitko, Erik Zupanič in Peter Jeglič
Phys. Rev. A 99, 033625 (2019), arXiv:1902.03144
Metallic State in Rubidium-Loaded Low-Silica X Zeolite
Peter Jeglič, Takehito Nakano, Tadej Mežnaršič, Denis Arčon in Mutsuo Igarashi
J. Phys. Soc. Jpn. 89, 073706 (2020).
Nuclear Quadrupole Resonance (NQR)—A Useful Spectroscopic Tool in Pharmacy for the Study of Polymorphism
Zvonko Trontelj, Janez Pirnat, Vojko Jazbinšek, Janko Lužnik, Stane Srčič, Zoran Lavrič, Samo Beguš, Tomaž Apih, Veselko Žagar in Janez Seliger
Crystals, 10(6), 450 (2020).