Quantum measurements of spin in alkali atoms and bio-molecules

Abstract

This dissertation describes the results of the research work done by author at the Laboratory of Quantum Science and Technology. In Part I we report on the experimental observation and theoretical justification of a novel effect, the transfer of spin noise from one atomic species to another, through the mechanism of spin exchange. Essentially, we extend the foundational studies of spin exchange into the deeper layer of quantum fluctuations. The signature of spin noise exchange is an increase of the total spin noise power at low magnetic fields where the two-species spin noise resonances overlap. We will demonstrate experimentally and prove theoretically that the total spin noise power of a two-species spin ensemble like 85 Rb - 87 Rb, exhibits a counter-intuitive dependence on the applied magnetic field. This is the experimental signature of spin noise exchange. This new effect is observable when the two atomic species have overlapping spin resonances. The Part II is about the dynamics of Radical Pair reactions. Radical Pair reactions were recently shown to represent a rich biophysical laboratory for the application of quantum measurement theory methods and concepts. We here propose a concrete experimental test that can clearly discriminate among the fundamental master equations currently attempting to describe the quantum dynamics of these reactions. The proposed measurement based on photon statistics of fluorescing radical pairs is shown to be molecular-model-independent and capable of elucidating the singlet-triplet decoherence inherent in the radical-ion-pair recombination process. Moreover, recent experiments have provided growing evidence for the Radical Pair magneto-reception mechanism, while recent theoretical advances have unraveled the quantum nature of Radical Pair reactions, which were shown to manifest a host of quantum-information-science concepts and effects, like quantum measurement, quantum jumps and the quantum Zeno effect. We here show that the quantum Zeno effect provides for the robustness of the avian compass mechanism, and immunizes its magnetic and angular sensitivity against the deleterious and molecule-specific exchange and dipolar interactions.

Η παρούσα εργασία περιγράφει τα αποτελέσματα της ερευνητικής εργασίας του συγγραφέα στο Εργαστήριο Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας. Στο πρώτο μέρος θα παρουσιάσουμε την πειραματική παρατήρηση και θεωρητική τεκμηρίωση ενός νέου φαινομένου, της μεταφοράς του θορύβου σπιν από το ένα ατομικό είδος σε ένα άλλο, μέσω του μηχανισμού ανταλλαγής σπιν. Ουσιαστικά, επεκτείνουμε τις θεμελιώδεις μελέτες της ανταλλαγής σπιν στο επίπεδο των κβαντικών διακυμάνσεων. Η ανταλλαγή θορύβου σπιν γίνεται αντιληπτή μέσω της αύξησης της συνολικής ισχύος του θορύβου σπιν σε χαμηλά μαγνητικά πεδία όπου οι μαγνητικοί συντονισμοί από το δύο διαφορετικά είδη ατόμων επικαλύπτονται. Θα αποδείξουμε πειραματικά αλλά και θεωρητικά ότι η συνολική ισχύς θορύβου σε ένα ατομικό δείγμα σπιν αποτελούμενο από δύο είδη αλκαλικώνμετάλλων όπως 85 Rb και 87 Rb, εμφανίζει εξάρτηση από το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτή είναι η πειραματική υπογραφή της ανταλλαγής θορύβου σπιν. Αυτό το νέο φαινόμενο παρατηρείται όταν τα δύο είδη ατόμων έχουν επικαλυπτόμενους συντονισμούς Στο δεύτερο μέρος μελετάμε τη δυναμική των αντιδράσεων των Radical Pairs. Πρόσφατα αποδείχτηκε ότι τα Radical Pairs αποτελούν ένα πλούσιο βιοφυσικό εργαστήριο για την εφαρμογή των μεθόδων και των εννοιών της κβαντικής θεωρίας και μέτρησης. Εμείς προτείνουμε ένα συγκεκριμένο πειραματικό τεστ που μπορεί να διακρίνει μεταξύ των θεμελιωδών Master Equations που προσπαθούν να περιγράψουν τη κβαντική δυναμική αυτών των αντιδράσεων. Η προτεινόμενη μέτρηση βασίζεται στην στατιστική φωτονίων που εκπέμπονται από τα Radical Pairs και αποδεικνύεται ότι η μέτρηση αυτή είναι ανεξάρτητη από τις ενδομοριακές παραμέτρους. Επιπλέον, πρόσφατα πειράματα παρέχουν ενδείξεις ότι τα Radical Pairs αποτελούν ένα μηχανισμό ανίχνευσης του μαγνητικού πεδίου ενώ οι πρόσφατες θεωρητικές εξελίξεις αποκάλυψαν την κβαντική φύση αυτών των αντιδράσεων. Εμείς θα δείξουμε ότι το κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα βελτιώνει τα χαρακτηριστικά και τη λειτουργία της χημικής πυξίδας και θωρακίζει τη μαγνητική και γωνιακή ευαισθησία του μορίου από τις επιπτώσεις των διπολικών αλληλεπιδράσεων και της ανταλλαγής του σπιν.