Spin noise correlations in multispecies hot atomic vapors

Abstract

Spin-exchange collisions in alkali-metal vapors underlie several fundamental and applied investigations such as nuclear structure studies and tests of fundamental symmetries, ultrasensitive atomic magnetometers, magnetic resonance, and biomagnetic imaging. The effect of spin-exchange collisions on the atomic system is very rich and it can vary depending on the conditions: it can cause decoherence and produce spin noise, or it can transfer spin-polarization and coherences without contributing to spin relaxation. Recently, with the development of quantum measurements and quantum technology in general, spin-exchange collisions have attracted a lot of interest as a resource for quantum metrology and as a potential source of quantum noise. We have performed a precision experiment regarding spin-noise correlations in multispecies hot alkali vapors. In particular, we observe non-zero spin-noise correlations and coherence transfer effects in equilibrium between overlapping 133Cs and 87Rb spin ensembles, having different gyromagnetic ratios. Both observations stem from the spontaneous and incessant spin-exchange collisions that tend to couple the two atomic species through the coherent exchange of spin-polarization. We investigate the behavior of the spontaneous spin-noise correlations both in a strong coupling regime at low magnetic fields where the spin-exchange rate is larger than the difference of the Larmor frequencies and in a weak coupling regime, at higher fields, where the fast Larmor precession tends to rapidly contract the formatted correlations. On theoretical grounds, we develop a quantum-trajectory picture of spin-exchange collisions, consistent with their long-standing ensemble description using density matrices. We then use quantum trajectories to reveal the nature of spin-noise correlations that spontaneously build up in multispecies atomic vapors, frequently utilized in the most sensitive spin measurements. Finally, we show that spin-exchange collisions in hot alkali vapors naturally produce strong bipartite entanglement, which we explicitly quantify using the tools of quantum information science. This entanglement is shown to have a lifetime at least as long as the spin-exchange relaxation time, and to directly affect measurable spin noise observables. We present a formal theoretical demonstration that a hot and dense atomic vapor can support longlived bipartite and possibly higher-order entanglement. Deeper understanding of spin-noise exchange in dual-species hot alkali vapors may advance the operation of atomic devices like for example atomic magnetometers and atomic gradiometers and it may also contribute to the development of new quantum protocols and devices.

Οι συγκρούσεις ανταλλαγής σπιν στα αλκαλικά ατομικά αέρια αποτελούν θεμέλιο για μια πληθώρα από θεμελιώδης και εφαρμοσμένες έρευνες όπως οι μελέτες της πυρηνικής δομής και των θεμελιωδών συμμετριών, τα ευαίσθητα ατομικά μαγνητόμετρα, ο μαγνητικός συντονισμός και η βιομαγνητική απεικόνιση. Τα αποτελέσματα των συγκρούσεων ανταλλαγής σπιν στο ατομικό σύστημα είναι πολύπλούσια και διαφέρουν ανάλογα τις συνθήκες: Μπορούν να προκαλέσουν αποσυμφωνία και να δημιουργήσουν θόρυβο σπιν ή μπορούν να μεταφέρουν πόλωση σπιν και κβαντική συμφωνία χωρίς να συνεισφέρουν στην αποσυμφωνία του ολικού σπιν του αερίου. Πρόσφατα, με την ανάπτυξη των κβαντικών μετρήσεων και της κβαντικής τεχνολογίας, οι συγκρούσεις ανταλλαγής σπιν έχουν τραβήξει αρκετά το ενδιαφέρον σαν ένας πόρος για την κβαντική μετρολογία και σαν πιθανή πηγή κβαντικού θορύβου. Κάναμε ένα πείραμα ακρίβειας το οποίο αφορά συσχετίσεις θορύβου σπιν σε πολυατομικά θερμά ατομικά αέρια. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρούμε μη μηδενικές συσχετίσεις σπιν θορύβου και φαινόμενα μεταφορά κβαντικής συμφωνίας σε θερμική ισορροπία μεταξύ των σπιν των αλκαλικών ατόμων 133Cs και 87Rb, τα οποία έχουν από την φύση τους διαφορετικούς γυρομαγνητικούς λόγους. Και τα δύο αυτά αποτελέσματα πηγάζουν από τις αυθόρμητες και ακατάπαυστες συγκρούσεις ανταλλαγής σπιν οι οποίες τείνουν να συζεύξουν τα δυο ατομικά συστήματα μέσω της σύμφωνης ανταλλαγής σπιν. Ερευνούμε την συμπεριφορά των αυθόρμητων συσχετίσεων θορύβου σπιν τόσο σε μία ισχυρά συζευγμένη περιοχή, σε μικρά μαγνητικά πεδία, όπου ο ρυθμός των συγκρούσεων ανταλλαγής σπιν είναι μεγαλύτερος από την διαφορά των Larmor συχνοτήτων των δυο αερίων και σε μία ασθενώς συζευγμένη περιοχή, σε μεγαλύτερα μαγνητικά πεδία, όπου η μεγάλη συχνότητα Larmor τείνει να συρρικνώσει τις σχηματισμένες συσχετίσεις. Σε θεωρητικό επίπεδο, αναπτύξαμε μια εικόνα κβαντικών τροχιών των αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής σπιν, η οποία είναι σε συμφωνία με την γεννήτρια εξίσωση που περιγράφει την δυναμική του πίνακα πυκνότητας. Στην συνέχεια χρησιμοποιούμε τις κβαντικές τροχιές για να δείξουμε την φύση των συσχετίσεων θορύβου οι οποίες αναπτύσσονται αυθόρμητα σε πολυατομικά συστήματα και συχνά χρησιμοποιούνται σε ευαίσθητες μετρήσεις του σπιν. Τέλος, δείχνουμε ότι οι συγκρούσεις ανταλλαγής σπιν στα θερμά ατομικά αέρια δημιουργούν αυθόρμητα ισχυρές δυαδικές συμπλέξεις, τις οποίες και ποσοτικοποιούμε χρησιμοποιώντας τα εργαλεία της θεωρίας της κβαντικής πληροφορίας. Οι συμπλέξεις αυτές έχουν χρόνο ζωής τουλάχιστον ίσο με τον χρόνο των συγκρούσεων ανταλλαγής σπιν και επηρεάζουν άμεσα μετρούμενα μεγέθη που σχετίζονται με τον θόρυβο σπιν. Παρουσιάζουμε ένα θεωρητικό παράδειγμα όπου ένα θερμό και πυκνό ατομικό αέριο μπορεί να διατηρήσει δυαδικές και ίσως και ανώτερης τάξης κβαντικές συμπλέξεις. Βαθύτερη κατανόηση των συγκρούσεων ανταλλαγής σπιν στα θερμά αέρια δυο διαφορετικών ειδών μπορεί να συνεισφέρει στην βελτίωση της λειτουργίας των ατομικών συσκευών, όπως είναι για παράδειγμα τα ατομικά μαγνητόμετρα, ή στην δημιουργία και ανακάλυψη νέων κβαντικών πρωτοκόλλων ή και νέων ατομικών συσκευών.