Исследовательская группа из Германии задействовала около 12 000 ультрахолодных атомов для прототипа высокочувствительного детектора, основанного на квантовых свойствах атомов. Учёные смогли измерить с высокой точностью магнитное поле, однако та же методика может применяться для проверки положений общей теории относительности или для уточнения точности атомных часов.
Атомная интерферометрия позволяет производить прецизионные измерения всего, что способно возмущать атомные квантовые волны, например, гравитационного или магнитного поля. Методика даёт особенно точные результаты, если атомы представляют собой конденсат Бозе — Эйнштейна (бозе-конденсат) — состояние вещества при сверхнизких температурах, в котором все атомы находится в одном квантовом состоянии и действуют как единая квантовая сущность.
Например, для измерения магнитного поля с высокой точностью исследователи могут поместить бозе-конденсат в поле и определить частоту микроволнового излучения, необходимого для осуществления конкретного атомного перехода между двумя состояниями. Улучшению точности в подобных экспериментах способствует применение максимально возможного числа атомов для снижения статистической погрешности. Однако рост числа атомов сопряжён со сложностями. При увеличении плотности атомы начинают объединяться в молекулы, нарушая бозе-конденсат, а при увеличении линейных размеров сложнее удержать конденсат под контролем.
Маркус Обертхалер и коллеги из Университета Гейдельберга нашли способ решить эту проблему. Вместо изготовления одной большой области с бозе-конденсатом они создали много маленьких, удерживаемых в оптической ловушке, в которой интерференция лазерных лучей создаёт что-то вроде одномерного массива ловушек, расположенных в 5 микрометрах друг от друга. Каждая область бозе-конденсата независима от прочих, однако все они могут быть измерены одновременно. Группа изготовила до 30 таких элементов, каждый из которых состоит из 300—600 атомов рубидия-87, охлаждённых до 10 нанокельвинов.
Дополнительную точность обеспечил метод уплотнения спина. Он подразумевает уменьшение квантовой неопределённости одной из величин, например, координаты, за счёт увеличения другой, например, импульса.
Разрешение получившейся системы составило 310 пикотесла при измерении магнитного поля, также она позволяет замерять градиент магнитного поля величиной всего 12 пикотесла на микрометр. По словам исследователей, система идеально подходит для магнитной микроскопии, которая используется для снятия характеристик твердотельных поверхностей. Так как атомные состояния системы также чувствительны к перемещению, методика допускает проведение прецизионных измерений в рамках общей теории относительности или для детектирования гравитационных волн.
