Các nguyên tử vướng víu nâng cao kỹ thuật chụp cắt lớp – Physics World

Các nguyên tử vướng víu nâng cao kỹ thuật chụp cắt lớp – Physics World

Dấu thời gian: ngày 21 tháng 2023 năm 4 54:XNUMX sáng

Cảm biến nguyên tử được tạo thành từ các spin mà tiếng ồn chỉ bị giới hạn bởi các dao động lượng tử nội tại
Cảm biến nguyên tử: thiết bị được tạo thành từ các spin có độ nhiễu chỉ bị giới hạn bởi các dao động lượng tử nội tại. (Lịch sự: E Polzik)

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Copenhagen ở Đan Mạch đã tìm ra cách tăng cường độ nhạy của kỹ thuật cảm biến thông thường được gọi là chụp cắt lớp cảm ứng từ vượt quá giới hạn lượng tử tiêu chuẩn. Phương pháp cải tiến này có thể được ứng dụng trong cảm biến sinh học và y tế.

Trong chụp cắt lớp cảm ứng từ, từ trường được tạo ra bởi một cuộn dây mang dòng điện sẽ tạo ra dòng điện xoáy nhỏ trong mẫu được phân tích. Những dòng điện này lần lượt làm thay đổi từ trường, được phát hiện bằng cách sử dụng spin tập thể (hoặc từ hóa) của từ kế nguyên tử. Các đặc tính của trường được phát hiện mang lại thông tin về độ dẫn điện và độ thấm từ của mẫu.

Kỹ thuật này được sử dụng trong khảo sát địa vật lý, để kiểm tra không phá hủy các vật thể kim loại, cũng như trong hình ảnh y tế. Nhưng độ nhạy của nó bị hạn chế bởi cái gọi là giới hạn lượng tử, hay thăng giáng lượng tử (độ không chắc chắn) của spin tập thể của cảm biến.

“Thật vậy, cơ học lượng tử và nguyên lý bất định chỉ ra rằng hướng quay không thể được xác định với độ chính xác tùy ý,” giải thích Eugene Polzik, người đứng đầu nghiên cứu mới này. “Nói một cách đại khái, trong một cảm biến có chứa N spin nguyên tử, hướng của spin tập thể không thể được xác định với độ chắc chắn góc lớn hơn 1/√N, và đây là cái mà chúng tôi gọi là giới hạn lượng tử tiêu chuẩn (SQL).

Giảm sự không chắc chắn

Polzik và các đồng sự chứng tỏ rằng độ bất định này có thể giảm bớt bằng cách sử dụng một từ kế nguyên tử chứa các nguyên tử có spin bị vướng víu để tạo ra cái gọi là trạng thái nén spin. Độ không đảm bảo góc của một trong các hình chiếu của trạng thái này nằm dưới SQL. Các nhà nghiên cứu đã sắp xếp giao thức chụp cắt lớp cảm ứng từ sao cho tín hiệu hữu ích được chứa chính xác trong hình chiếu với độ không chắc chắn giảm đi. Cách tiếp cận này mang lại độ nhạy SQL gần gấp đôi so với từ kế nguyên tử thông thường.

Polzik giải thích: “Kỹ thuật chụp cắt lớp cảm ứng từ thông thường sử dụng một cuộn dây để phát hiện tín hiệu”. “Những cuộn dây như vậy có tiếng ồn nhiệt nội tại cũng như tiếng ồn môi trường thu được, làm hạn chế độ nhạy. Chúng tôi đã sử dụng một cảm biến nguyên tử được tạo thành từ các spin mà nhiễu của nó chỉ bị giới hạn bởi các dao động lượng tử nội tại. Điều này cho phép chúng tôi cải thiện đáng kể độ nhạy so với các phương pháp truyền thống.”

Các nhà nghiên cứu cho biết họ hiện có kế hoạch sử dụng phương pháp của mình trong cảm biến sinh học và y tế, và đặc biệt hy vọng phát triển nó hơn nữa để chụp ảnh các cơ quan nội tạng, bao gồm cả tim và thậm chí cả não.

Polzik cho biết: “Chúng tôi cũng có kế hoạch tiếp tục nghiên cứu phương pháp chụp cắt lớp cảm ứng từ tăng cường lượng tử này với mục tiêu cải thiện hơn nữa độ nhạy và độ phân giải không gian của nó”. Thế giới vật lý.

Nghiên cứu được trình bày chi tiết trong Physical Review Letters.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý