論文の概要: Sensitivity of a collisional single-atom spin probe
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2203.13656v3
- Date: Tue, 16 Aug 2022 16:18:56 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-02-20 20:46:08.071795
- Title: Sensitivity of a collisional single-atom spin probe
- Title（参考訳）: 衝突型単原子スピンプローブの感度
- Authors: Jens Nettersheim, Quentin Bouton, Daniel Adam, and Artur Widera
- Abstract要約: 非弾性スピン交換衝突は、ガス温度Tまたは外部磁場Bに関する情報を単一原子プローブの量子スピン人口にマッピングする。
このような単一原子プローブの様々な観測値に対する定常感度を数値的に検討する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: We study the sensitivity of a collisional single-atom probe for ultracold
gases. Inelastic spin-exchange collisions map information about the gas
temperature T or external magnetic field B onto the quantum spin-population of
single-atom probes, and previous work showed enhanced sensitivity for
short-time nonequilibrium spin dynamics [1]. Here, we numerically investigate
the steady-state sensitivity of such single-atom probes to various observables.
We find that the probe shows distinct sensitivity maxima in the (B, T )
parameter diagram, although the underlying spin-exchange rates scale
monotonically with temperature and magnetic field. In parameter space, the
probe generally has the largest sensitivity when sensing the energy ratio
between thermal energy and Zeeman energy in an externally applied magnetic
field, while the sensitivity to the absolute energy, i.e., the sum of kinetic
and Zeeman energy, is low. We identify the parameters yielding sensitivity
maxima for a given absolute energy, which we can relate to a direct comparison
of the thermal Maxwell-Boltzmann distribution with the Zeeman-energy splitting.
We compare our equilibrium results to nonequilibrium experimental results from
a single-atom quantum probe, showing that the sensitivity maxima in parameter
space qualitatively prevail also in the nonequilibrium dynamics, while a
quantitative difference remains. Our work thereby offers a microscopic
explanation for the properties and performance of this single-atom quantum
probe, connecting thermodynamic properties to microscopic interaction
mechanisms. Our results pave the way for optimization of quantum-probe
applications in (B, T ) parameter space beyond the previously shown boost by
nonequilibrium dynamics.
- Abstract（参考訳）: 超低温ガスに対する衝突単原子プローブの感度について検討した。
非弾性スピン交換衝突は、単原子プローブの量子スピンポピュレーションにガス温度tまたは外部磁場bに関する情報をマッピングし、以前の研究は短時間の非平衡スピンダイナミクスに対する感度の向上を示した[1]。
本稿では,このような単一原子プローブの種々の観測値に対する定常感度を数値的に検討する。
このプローブは (b, t) パラメータダイアグラムにおいて異なる感度の極大を示すが、基礎となるスピン交換速度は温度と磁場と単調に変化する。
パラメータ空間において、プローブは外部印加磁場における熱エネルギーとゼーマンエネルギーのエネルギー比を感知するときに最も感度が高いが、絶対エネルギーに対する感度、すなわち運動エネルギーとゼーマンエネルギーの和は低い。
与えられた絶対エネルギーに対する感度最大値を与えるパラメータを同定し、熱的マクスウェル・ボルツマン分布とゼーマン・エネルギー分割を直接比較することができる。
我々は、単一原子量子プローブによる非平衡実験結果と比較し、パラメータ空間における感度最大値が非平衡ダイナミクスにおいても定性的に有することを示したが、定量的な差は残る。
これにより、この単一原子量子プローブの特性と性能を顕微鏡で説明し、熱力学特性と微視的相互作用機構を結合する。
この結果から, (B, T) パラメータ空間における量子プローブ応用の最適化は, 非平衡動力学による前述したブーストを超えている。
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