_ Fizicienii aranjează atomii în imediata apropiere , deschizând calea pentru explorarea stărilor exotice ale materiei

Proximitatea este cheia pentru multe fenomene cuantice, deoarece interacțiunile dintre atomi sunt mai puternice atunci când particulele sunt apropiate. În multe simulatoare cuantice, oamenii de știință aranjează atomii cât mai aproape unul de celălalt posibil pentru a explora stări exotice ale materiei și pentru a construi noi materiale cuantice.

De obicei, fac acest lucru prin răcirea atomilor până la oprire, apoi folosind lumina laser pentru a poziționa particulele la distanță de 500 de nanometri – o limită care este stabilită de lungimea de undă a luminii. Acum, fizicienii MIT au dezvoltat o tehnică care le permite să aranjeze atomii într-o proximitate mult mai apropiată, până la doar 50 de nanometri. Pentru context, un globul roșu are o lățime de aproximativ 1.000 de nanometri.

Fizicienii au demonstrat noua abordare în experimente cu disproziu, care este cel mai magnetic atom din natură. Ei au folosit noua abordare pentru a manipula două straturi de atomi de disproziu și au poziționat straturile la o distanță de 50 de nanometri. La această proximitate extremă, interacțiunile magnetice erau de 1.000 de ori mai puternice decât dacă straturile ar fi separate de 500 de nanometri.

O lucrare care descrie această lucrare este publicată în revista Science.

Oamenii de știință au putut măsura două noi efecte cauzate de apropierea atomilor. Forțele lor magnetice sporite au cauzat „termalizarea” sau transferul de căldură de la un strat la altul, precum și oscilații sincronizate între straturi. Aceste efecte s-au dispărut pe măsură ce straturile au fost distanțate mai departe.

„Am trecut de la poziționarea atomilor de la 500 de nanometri la 50 de nanometri unul de celălalt, și puteți face multe cu asta”, spune Wolfgang Ketterle, profesorul de fizică John D. MacArthur la MIT. „La 50 de nanometri, comportamentul atomilor este atât de diferit, încât intrăm într-adevăr într-un nou regim aici.”

Ketterle și colegii săi spun că noua abordare poate fi aplicată multor alți atomi pentru a studia cuantica. fenomene. La rândul lor, grupul intenționează să folosească tehnica pentru a manipula atomii în configurații care ar putea genera prima poartă cuantică pur magnetică - o piatră cheie pentru un nou tip de computer cuantic.

Co-autorii studiului. includ autorul principal și studentul absolvent la fizică Li Du, împreună cu Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond și Yu-Kun Lu - toți membri ai Centrului MIT-Harvard pentru Atomi Ultrareci, Departamentul de Fizică și Laboratorul de Cercetare din Electronică la MIT.

Vârfuri și văi

Pentru a manipula și aranja atomii, fizicienii de obicei răcesc mai întâi un nor de atomi la temperaturi care se apropie de zero absolut, apoi folosesc un sistem de fascicule laser pentru a îngrădi. atomii într-o capcană optică.

Lumina laser este o undă electromagnetică cu o anumită lungime de undă (distanța dintre maximele câmpului electric) și o frecvență. Lungimea de undă limitează cel mai mic model în care lumina poate fi modelată la 500 de nanometri, așa-numita limită de rezoluție optică. Deoarece atomii sunt atrași de lumina laser de anumite frecvențe, atomii vor fi poziționați în punctele de intensitate maximă a laserului. Din acest motiv, tehnicile existente au fost limitate în ceea ce privește cât de aproape pot poziționa particulele atomice și nu au putut fi folosite pentru a explora fenomene care se întâmplă la distanțe mult mai scurte.

„Tehnicile convenționale se opresc la 500 de nanometri, limitate nu. de atomi, ci de lungimea de undă a luminii”, explică Ketterle. „Am găsit acum un nou truc cu lumină în care putem depăși această limită.”

Noua abordare a echipei, precum tehnicile actuale, începe prin a răci un nor de atomi – în acest caz, la aproximativ 1 microkelvin, doar un fir de păr peste zero absolut – moment în care atomii ajung aproape de o oprire. Fizicienii pot folosi apoi lasere pentru a muta particulele înghețate în configurațiile dorite.

Apoi, Du și colaboratorii săi au lucrat cu două fascicule laser, fiecare cu o frecvență sau o culoare diferită; și polarizarea circulară, sau direcția câmpului electric al laserului. Când cele două fascicule călătoresc printr-un nor de atomi super-răcit, atomii își pot orienta spinul în direcții opuse, urmând polarizarea oricăreia dintre cele două lasere. Rezultatul este că fasciculele produc două grupuri ale acelorași atomi, doar cu spini opusi.

Fiecare fascicul laser a format o undă staționară, un model periodic de intensitate a câmpului electric cu o perioadă spațială de 500 de nanometri. Datorită polarizărilor lor diferite, fiecare undă staționară a atras și a înghesuit unul dintre cele două grupuri de atomi, în funcție de spinul lor. Laserele ar putea fi suprapuse și reglate astfel încât distanța dintre vârfurile lor respective să fie de până la 50 de nanometri, ceea ce înseamnă că atomii care gravitează către vârfurile fiecărui laser vor fi separați de aceiași 50 de nanometri.

Dar în Pentru ca acest lucru să se întâmple, laserele ar trebui să fie extrem de stabile și imune la orice zgomot extern, cum ar fi tremuratul sau chiar respirația în timpul experimentului. Echipa și-a dat seama că ar putea stabiliza ambele lasere prin direcționarea lor printr-o fibră optică, care a servit la blocarea fasciculelor de lumină în poziție unul în raport cu celălalt.

„Ideea de a trimite ambele fascicule prin fibra optică a însemnat întreaga mașină se putea agita violent, dar cele două fascicule laser au rămas absolut stabile una față de cealaltă”, spune Du.

Forțe magnetice la distanță apropiată

Ca prim test al lor. tehnică nouă, echipa a folosit atomi de disproziu - un metal din pământuri rare care este unul dintre cele mai puternice elemente magnetice din tabelul periodic, în special la temperaturi ultrareci. Cu toate acestea, la scara atomilor, interacțiunile magnetice ale elementului sunt relativ slabe la distanțe de chiar și 500 de nanometri.

Ca și în cazul magneților de frigider obișnuiți, atracția magnetică dintre atomi crește odată cu apropierea, iar oamenii de știință au bănuit că dacă noua lor tehnică ar putea distanța atomii de disproziu la o distanță de 50 de nanometri, ei ar putea observa apariția unor interacțiuni altfel slabe între atomii magnetici.

„Am putea avea brusc interacțiuni magnetice, care înainte erau aproape neglijabile, dar acum sunt cu adevărat puternici”, spune Ketterle.

Echipa și-a aplicat tehnica la disproziu, mai întâi supra-răcirea atomilor, apoi trecând prin două lasere pentru a împărți atomii în două grupuri de spin, sau straturi. Apoi au direcționat laserele printr-o fibră optică pentru a le stabiliza și au descoperit că, într-adevăr, cele două straturi de atomi de disproziu gravitau către vârfurile lor laser respective, care de fapt separau straturile de atomi cu 50 de nanometri - cea mai apropiată distanță pe care orice atom ultrareg. experimentul a fost capabil să se realizeze.

La această proximitate extrem de apropiată, interacțiunile magnetice naturale ale atomilor au fost semnificativ îmbunătățite și au fost de 1.000 de ori mai puternice decât dacă ar fi poziționați la 500 de nanometri unul de celălalt. Echipa a observat că aceste interacțiuni au dus la două fenomene cuantice noi: oscilația colectivă, în care vibrațiile unui strat au făcut ca celălalt strat să vibreze sincronizat; și termalizarea, în care un strat transfera căldură celuilalt, pur prin fluctuații magnetice ale atomilor.

„Până acum, căldura dintre atomi nu putea fi schimbată decât atunci când se aflau în același spațiu fizic și se putea ciocni. ”, notează Du. „Acum am văzut straturi atomice, separate prin vid, și schimbă căldură prin câmpuri magnetice fluctuante.”

Rezultatele echipei introduc o nouă tehnică care poate fi folosită pentru a poziționa multe tipuri de atomi în imediata apropiere. De asemenea, ei arată că atomii, plasați suficient de aproape unul de celălalt, pot prezenta fenomene cuantice interesante, care ar putea fi valorificate pentru a construi noi materiale cuantice și, potențial, sisteme atomice conduse magnetic pentru computere cuantice.

„Aducem într-adevăr metode de super-rezoluție în domeniu și va deveni un instrument general pentru a face simulări cuantice”, spune Ketterle. „Există multe variante posibile, la care lucrăm.”

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetarea MIT, inovație și predare.

(Fluierul)