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Quantencomputer-Boost durch Dampfstabilisierungstechnik

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Eine Technik zur Stabilisierung der Alkalimetalldampfdichte unter Verwendung von Goldnanopartikeln, so dass Elektronen für Anwendungen wie Quantencomputer, Atomkühlung und Präzisionsmessungen zugänglich sind, wurde von Wissenschaftlern der University of Bath patentiert.

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Alkalimetalldämpfe, einschließlich Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium, ermöglichen es den Wissenschaftlern, auf einzelne Elektronen zuzugreifen, da ein einzelnes Elektron in der äußeren "Hülle" von Alkalimetallen vorhanden ist.

Dies birgt ein großes Potenzial für eine Reihe von Anwendungen, darunter Logikoperationen, Speicherung und Sensorik im Quantencomputer sowie für hochpräzise Zeitmessungen mit Atomuhren oder in der medizinischen Diagnostik mit Kardiogrammen und Enzephalogrammen.

Ein ernsthaftes technisches Hindernis war jedoch die zuverlässige Kontrolle des Dampfdrucks in einem geschlossenen Raum, zum Beispiel dem Rohr einer Glasfaser. Es muss verhindert werden, dass der Dampf an den Seiten klebt, um seine Quanteneigenschaften zu erhalten, aber die bestehenden Methoden, einschließlich der direkten Erwärmung von Dampfbehältern, sind langsam, teuer und unpraktisch.

Wissenschaftler der University of Bath haben in Zusammenarbeit mit einem Kollegen der Bulgarischen Akademie der Wissenschaften eine geniale Methode zur Kontrolle des Dampfes entwickelt, indem sie das Innere von Behältern mit nanoskopischen Goldpartikeln beschichten, die 300.000 Mal kleiner sind als ein Stecknadelkopf.

Mit grünem Laserlicht beleuchtet, absorbieren und wandeln die Nanopartikel das Licht schnell in Wärme um, erwärmen den Dampf und lassen ihn sich mehr als 1.000 mal schneller als mit anderen Methoden in den Behälter verteilen. Der Prozess ist hochgradig reproduzierbar, und darüber hinaus wurde festgestellt, dass die neue Nanopartikelbeschichtung die Quantenzustände der Alkalimetallatome, die von ihr abprallen, bewahrt.

Die Studie ist in Nature Communications veröffentlicht.

Professor Ventsislav Valev vom Physikalischen Institut der Universität Bath leitete die Forschung. Sagte er: "Wir sind sehr gespannt auf diese Entdeckung, weil sie so viele Anwendungen in aktuellen und zukünftigen Technologien bietet! Es wäre nützlich bei der Atomkühlung, bei Atomuhren, in der Magnetometrie und in der ultrahochauflösenden Spektroskopie."

"Unsere Beschichtung ermöglicht eine schnelle und reproduzierbare externe Kontrolle der Dampfdichte und der damit verbundenen optischen Tiefe, die für die Quantenoptik in diesen engen Geometrien entscheidend ist."

Prof. Dimitar Slavov vom Institut für Elektronik der Bulgarischen Akademie der Wissenschaften fügte hinzu: "In diesem Grundsatznachweis wurde nachgewiesen, dass die Beleuchtung unserer Beschichtung herkömmliche Methoden deutlich übertrifft und mit Standardpolymerbeschichtungen zur Erhaltung von Quantenzuständen einzelner Atome und kohärenter Ensembles kompatibel ist"

Dr. Kristina Rusimova, Preisträgerin am Physikalischen Institut, fügte hinzu: "Weitere Verbesserungen unserer Beschichtung sind möglich durch die Abstimmung von Partikelgröße, Materialzusammensetzung und Polymerumgebung. Die Beschichtung kann in verschiedenen Behältern eingesetzt werden, darunter optische Zellen, magneto-optische Fallen, Mikrozellen, Kapillaren und optische Hohlfasern"