Unser Manuskript „Single-atom quantum probes for ultracold gases boosted by nonequilibrium spin dynamics“ ist in Physical Review X veröffentlicht worden (DOI:10.1103/PhysRevX.10.011018).
Druck oder Temperatur sind Eigenschaften von Gasen, welche eng mit Kollisionen zwischen den Atomen verknüpft sind. Stöße zwischen Atomen können zudem die Quanteneigenschaften der stoßenden Atome ändern.
Zusammen mit unserem Kollegen Prof. E. Tiemann von der Universität Hannover ist es uns gelungen, einzelne Atome als Sensoren zu verwenden, indem Kollisionen mit Atomen eines Gases die Quanteneigenschaften des atomaren Sensors ändern. Damit konnten wir die Temperatur des atomaren Gases bestimmen.
Experimentell werden individuelle neutrale Cäsium (Cs) Atome in ein ultrakaltes Gas aus Rubidium (Rb) Atomen eingebracht. Anschließend führen Kollisionen zum Austausch von quantisiertem Drehimpuls. Die Kollisionen sind unterscheidbar in endo-/ und exoenergetische Stöße, welche in unserem Experiment über das Magnetfeld, die initialen Quantenzustände und die Gaseigenschaften voll kontrollierbar sind.
Der Energieaustausch ändert die magnetischen Quantenzustände, welche im Experiment beobachtbar sind.
Aufgrund von atomaren Eigenschaften ist die Energie, die mit einer Änderung des Quantenzustands einhergeht, für die beiden Atomsorten unterschiedlich. Als Folge finden sich exotherme Prozesse, bei denen kinetische Energie freigesetzt wird, und endotherme Prozesse, die nur ablaufen können, wenn die benötigte Energie aus der thermischen Energie im Stoßprozess zur Verfügung gestellt werden kann. Diese Prozesse koppeln effektiv die Besetzung der Quantenzustände des einzelnen Atoms an die Temperatur des Gases. Somit ist es möglich, die Temperatur des Systems aus der Messung der Spinverteilung der Cs Atome zu bestimmen.
Des Weiteren fanden wir heraus, dass sich die Empfindlichkeit des Thermometers erheblich verbessert, wenn statt der Gleichgewichtszustandsverteilung die Spindynamik betrachtet wird, bevor ein Gleichgewicht entsteht.
Aufgrund der zusätzlichen Magnetfeldabhängigkeit des Systems ist es zudem möglich, diesen physikalischen Effekt als Multimeter zu nutzen und das vorhanden Magnetfeld zu messen.
Unsere Arbeit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, Quantenvielteilchensysteme zerstörungsarm zu vermessen und den Betrieb neuartiger Quantensensoren zu optimieren.