Verschränkte Atome verbessern Tomographietechnik – Physics World

Forscher an der Universität Kopenhagen in Dänemark haben einen Weg gefunden, die Empfindlichkeit einer routinemäßigen Sensortechnik namens Magnetinduktionstomographie über die Standardquantengrenze hinaus zu steigern. Die verbesserte Methode könnte in der Bio- und Medizinsensorik Anwendung finden.

Bei der magnetischen Induktionstomographie erzeugt ein von einer stromdurchflossenen Spule erzeugtes Magnetfeld winzige Wirbelströme in der zu analysierenden Probe. Diese Ströme wiederum verändern das Magnetfeld, das mithilfe des kollektiven Spins (oder der Magnetisierung) eines Atommagnetometers erfasst wird. Die Eigenschaften des erfassten Feldes geben Aufschluss über die elektrische Leitfähigkeit und magnetische Permeabilität der Probe.

Die Technik wird bei geophysikalischen Untersuchungen, zur zerstörungsfreien Prüfung metallischer Objekte sowie in der medizinischen Bildgebung eingesetzt. Seine Empfindlichkeit wird jedoch durch die sogenannte Quantengrenze oder Quantenfluktuationen (Unsicherheit) des kollektiven Spins des Sensors eingeschränkt.

„Tatsächlich erfordern die Quantenmechanik und das Unschärfeprinzip, dass die Spinrichtung nicht mit beliebiger Präzision bestimmt werden kann“, erklärt Eugene Polzik, der diese neue Studie leitete. „Grob gesagt, in einem Sensor, der Folgendes enthält N Atomspins kann die Richtung des kollektiven Spins nicht mit einer Winkelsicherheit besser als 1/√ bestimmt werdenN, und das nennen wir das Standard-Quantenlimit (SQL).“

Unsicherheit reduzieren

Polzik und Kollegen zeigten, dass diese Unsicherheit verringert werden kann, indem man ein Atommagnetometer verwendet, das Atome enthält, deren Spins verschränkt sind, um einen sogenannten Spin-Squeeze-Zustand zu erzeugen. Die Winkelunsicherheit einer der Projektionen dieses Zustands liegt unter der SQL. Die Forscher haben das Protokoll der Magnetinduktionstomographie so gestaltet, dass das Nutzsignal mit der reduzierten Unsicherheit genau in der Projektion enthalten ist. Dieser Ansatz führt zu einer SQL-Empfindlichkeit, die fast doppelt so hoch ist wie bei herkömmlichen Atommagnetometern.

„Konventionelle Techniken der Magnetinduktionstomographie nutzen eine Spule, um das Signal zu erfassen“, erklärt Polzik. „Solche Spulen haben intrinsisches thermisches Rauschen sowie aufgenommenes Umgebungsrauschen, was die Empfindlichkeit einschränkt. Wir haben einen atomaren Sensor aus Spins verwendet, dessen Rauschen nur durch intrinsische Quantenfluktuationen begrenzt ist. Dadurch konnten wir die Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen deutlich verbessern.“

Das Atommagnetometer misst die Leitfähigkeit des Herzens

Die Forscher planen nun, ihre Methode in der Bio- und Medizinsensorik einzusetzen und hoffen insbesondere, sie für die Bildgebung innerer Organe, einschließlich des Herzens und sogar des Gehirns, weiterzuentwickeln.

„Außerdem planen wir, weiter an dieser quantenverstärkten Magnetinduktionstomographie zu arbeiten, mit dem Ziel, ihre Empfindlichkeit und räumliche Auflösung weiter zu verbessern“, sagt Polzik Physik-Welt.

Die Recherche ist ausführlich in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/entangled-atoms-enhance-tomography-technique/