החוקרים גילו דרך פשוטה ועם זאת חזקה להגן על אטומים מפני איבוד מידע - אתגר מפתח בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות אמינות.
על ידי הזרמת קרן לייזר יחידה ומותאמת בקפידה על גז אטומים, הם הצליחו לשמור על הספינים הפנימיים של האטומים מסונכרנים, והפחיתו באופן דרמטי את הקצב בו אבד מידע. בחיישני קוונטים ומערכות זיכרון, אטומים מאבדים לעתים קרובות את האוריינטציה המגנטית שלהם - או "ספין" - כאשר הם מתנגשים זה בזה או בקירות המכולה שלהם.
תופעה זו, המכונה הרפיה של ספין, מגבילה מאוד את הביצועים והיציבות של מכשירים כאלה. שיטות מסורתיות לניפוק זה נדרשו לפעול בשדות מגנטיים נמוכים במיוחד ושימוש בהגנה מגנטית מגושמת.
השיטה החדשה מעריכה את האילוצים הללו לחלוטין. במקום להגן על המערכת מגנטית, היא משתמשת באור כדי להעביר באופן עדין את רמות האנרגיה האטומית, ליישר את הסיבובים של האטומים ולשמור עליהם בסנכרון, אפילו כשהם זזים ומתנגשים. זה יוצר מצב ספין גמיש יותר המוגן באופן טבעי מפני דקה.
בניסויים במעבדה עם אדי צזיום חמים, הטכניקה הפחיתה את התפרקות הספין בגורם של 10 ושיפר משמעותית את הרגישות המגנטית. פריצת דרך זו מדגימה כי קרן אור יחידה יכולה להאריך את זמן הקוהרנטיות של ספינים אטומיים, ולפתוח את הדלת לחיישני קוונטים קומפקטיים, מדויקים וחזקים יותר, מגנטומטרים ומכשירי זיכרון.
צוות של פיזיקאים מהמחלקה לפיזיקה ומרכז יישומי של האוניברסיטה העברית, בשיתוף פעולה עם בית הספר לפיזיקה יישומית והנדסית באוניברסיטת קורנל, חשף שיטה חדשה חזקה להגן על ספינים אטומיים מפני "רעש סביבי"- צעד גדול לעבר שיפור והעמלות של טכנולוגיה של טכנולוגיה.
המחקר, "הגנה אופטית על אלקלי - אטומי מתכת מפני הרפיה של ספין", מאת אברהם ברבי, מארק דיקופצב, פרופ 'אורי כץ (אוניברסיטת עברית) ופרופ' או כץ (אוניברסיטת קורנל), פורסם באוניברסיטת עברית), ופרופ 'או כץ (אוניברסיטת קורנל),מכתבי ביקורת פיזיתויכול לחולל מהפכה בשדות התלויים בחישה מגנטית ובקוהרנטיות אטומית.
אטומים עם אלקטרונים לא מותאמים - כמו אלה שבאדי צזיום - יש מאפיין של "ספין", מתקשרים מאוד עם שדות מגנטיים ולכן ניתן להשתמש בהם לצורך מדידות רגישות של שדות רגישים של שדות רגישים, ואף פעילות מוחית. אבל הסיבובים הללו שבירים לשמצה.
אפילו ההפרעה הזעירה ביותר מאטומים מסביב או קירות מכולות עלולה לגרום להם לאבד את האוריינטציה שלהם, תהליך המכונה הרפיה של ספין. עד כה, הגנה על סיבובים אלה מפני הפרעות כאלה נדרשה להתקנות מסובכות או עבדה רק בתנאים מאוד ספציפיים. השיטה החדשה משנה זאת.
אור לייזר כמגן
החוקרים פיתחו טכניקה המשתמשת בקרן לייזר יחידה ומכוונת בדיוק כדי לסנכרן את הכיתוב של ספינים אטומיים בשדה המגנטי - אפילו כשהאטומים מתנגשים זה בזה זה בזה ובסביבתם.
דמיין תרחיש בו מאות צמרות מסתובבות זעירות מוגבלות בתוך קופסה. בדרך כלל, האינטראקציות בין צמרות אלה יכולות לשבש את תצורות הסיבוב שלהן, ולגרום למערכת כולה ליפול מסנכרון. השפעה זו הופכת לדומיננטית הרבה יותר בשדות מגנטיים גבוהים, שכן הצמרות מעבדות ומשנה את האוריינטציה שלהם הרבה יותר מהר.
עם זאת, שיטה ספציפית משתמשת באור לשמירה על סנכרון בתוך המערכת. על ידי התייחסות להבדלים בתצורות הסיבוב השונות, האור שומר למעשה על כל החלקים המסתובבים בהרמוניה, מונע הפרעה ומאפשר התנהגות שיתופית בקרב ישויות מסתובבות, אפילו בשדות מגנטיים גבוהים. גישה זו מדגישה את יחסי הגומלין המרתקים בין דינמיקת ספין אור לאטומית.
החוקרים השיגו שיפור של תשעה - קיפול כמה זמן אטומי צזיום שמרו על כיוון הספין שלהם. ראוי לציון, הגנה זו פועלת גם כאשר האטומים מקפצים אנטי מיוחד - הרפיה - קירות תאים מצופים וחווים התנגשויות פנימיות תכופות.
אמיתי - פוטנציאל עולמי
טכניקה זו עשויה לשפר משמעותית מכשירים המסתמכים על סיבובים אטומיים, כולל:
חיישני קוונטים ומגנטומטרים המשמשים בהדמיה רפואית, ארכיאולוגיה וחקר חלל
מערכות ניווט מדויקות שאינן מסתמכות על GPS
פלטפורמות מידע קוונטיות בהן יציבות הסיבוב היא המפתח לאחסון ועיבוד מידע
מכיוון שהשיטה עובדת בסביבות "חמות" ואינה דורשת קירור קיצוני או כוונון שדה מסובך, היא יכולה להיות מעשית יותר עבור יישומי עולם אמיתיים {}} מאשר גישות קיימות.
החוקרים אמרו כי "גישה זו פותחת פרק חדש בהגנה על מערכות קוונטיות מפני רעש. "על ידי רתימת התנועה הטבעית של אטומים ושימוש באור כמייצב, אנו יכולים כעת לשמור על קוהרנטיות על פני מגוון רחב יותר של תנאים מאי פעם."
המחקר בונה על עשרות שנים של עבודה בפיזיקה אטומית, אך הפיתרון הפשוט והאלגנטי הזה - באמצעות אור לתיאום אטומים - הוא קפיצת מדרגה קדימה. זה עשוי לסלול את הדרך לטכנולוגיות קוונטיות חזקות, מדויקות ונגישות יותר בעתיד הקרוב.
