Fugu-MT 論文翻訳(概要): Single-atom sensor for low-frequency electric field

論文の概要: Single-atom sensor for low-frequency electric field

arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.17583v1
Date: Mon, 20 Jul 2026 06:01:33 GMT
ステータス: 翻訳完了
システム内更新日: 2026-07-21 18:48:37.510575
Title: Single-atom sensor for low-frequency electric field
Title（参考訳）: 低周波電界用単原子センサ
Abstract要約: 30kHzから300kHzの周波数を持つ低周波電界(LFEF)信号の高精度測定は、科学と実用の進歩に不可欠である。表面電極トラップに閉じ込められた注入ロックされた40Ca+イオンによって作用する単一イオンフォノンレーザーセンサを実証した。 LFEF信号の感度は404 uV/(m * Hz1/2)、検出限界は61.5 uV/mである。
参考スコア（独自算出の注目度）: 13.281444057168159
License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract: Precision measurement of low-frequency electric field (LFEF) signals with frequency from 30 kHz to 300 kHz is crucial for advancing both fundamental science and practical applications, owing to their unique frequency regime. For conventional electromagnetic antennas, the long wavelength (i.e., several kilometers) of the LFEF leads to a severe size constraint that efficient radiation becomes challenging to achieve when the antenna size is much smaller than the long wavelength of the LFEF signals, which in turn results in a reduction of measurement sensitivity and compromises antenna's performance. By exploiting the high intrinsic sensitivity of cold trapped ions to weak alternating electric signals via Coulomb interaction, we demonstrate a single-ion phonon laser sensor acted by an injection-locked 40Ca+ ion confined in a surface-electrode trap. Combining the beat frequency technique with the injection-locked phonon laser oscillation, we demonstrate a practical and efficient approach for simultaneous extraction of the frequency, phase, and amplitude from a single measurement, without the need for sideband cooling. This approach achieves precision detection for LFEF signals with the sensitivity of 404 uV/(m * Hz1/2) and the detection limit of 61.5 uV/m. Besides, this approach also shows remarkable robustness against noise. Our study helps realizing practical single-atom sensors in the low-frequency regime, opening avenues for applications in subsurface communication, precision metrology, mass spectrometry, and biomedical monitoring.
Abstract（参考訳）: 30kHzから300kHzの周波数を持つ低周波電界(LFEF)信号の高精度測定は、その独自の周波数状態のため、基礎科学と実用の両面での進歩に不可欠である。従来の電磁波アンテナでは、LFEFの長波長(例えば数km)は、LFEF信号の長波長よりもアンテナサイズがはるかに小さい場合、効率の良い放射が困難になるという厳しい大きさの制約をもたらすため、測定感度が低下し、アンテナの性能が損なわれる。コールドトラップイオンの高内在感度をクーロン相互作用による弱い交流電気信号に利用することにより、表面電極トラップに閉じ込められた注入ロックされた40Ca+イオンによって作用する単一イオンフォノンレーザセンサを実証する。バイブ周波数法とインジェクションロックされたフォノンレーザー発振を併用し, サイドバンド冷却を必要とせず, 単一測定から周波数, 位相, 振幅を同時抽出するための実用的で効率的なアプローチを実証した。 LFEF信号の感度は404 uV/(m * Hz1/2)、検出限界は61.5 uV/mである。さらに、このアプローチは、ノイズに対する顕著な堅牢性を示す。本研究は、低周波状態における実用的な単一原子センサーの実現に寄与し、地下通信、精密気象学、質量分析、バイオメディカルモニタリングへの応用への道を開く。

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