Atomisk bæltebane kunne løse problemer med kosmisk tyngdekraft

Hvornår er en trafikprop ikke en trafikprop? Når det er en kvante trafikprop, selvfølgelig. Kun i kvantefysikken kan trafikken stå stille og bevæge sig på samme tid.

Et nyt teoretisk oplæg fra forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland tyder på, at bevidst at skabe netop sådan en trafikprop ud af en ring med flere tusinde ultrakølede atomer kunne muliggøre præcise målinger af bevægelse. Hvis implementeret med den rigtige eksperimentelle opsætning, atomer kunne give en måling af tyngdekraften, muligvis endda på afstande så korte som 10 mikrometer - omkring en tiendedel af et menneskehårs bredde.

Selvom forfatterne understreger, at der stadig er meget arbejde med at vise, at en sådan måling ville kunne opnås, den potentielle gevinst ville være en afklaring af tyngdekraftens træk ved meget korte længder. Anomalier kan give store spor om tyngdekraftens adfærd, herunder hvorfor vores univers ser ud til at ekspandere i en accelererende hastighed.

Ud over potentielt at besvare dybe grundlæggende spørgsmål, disse atomringe kan have praktiske anvendelser, også. De kan føre til bevægelsessensorer langt mere præcise end tidligere muligt, eller fungere som switches til kvantecomputere, med 0 repræsenteret ved atomgitterlås og 1 ved at flytte atomtrafik.

Forfatterne af papiret er tilknyttet Joint Quantum Institute og Joint Center for Quantum Information and Computer Science, som begge er partnerskaber mellem NIST og University of Maryland.

I løbet af de sidste to årtier har fysikere har udforsket en eksotisk tilstand af stof kaldet et Bose-Einstein-kondensat (BEC), som eksisterer, når atomer overlapper hinanden ved kølige temperaturer en smidgen i en grad væk fra absolut nul. Under disse betingelser, en lille sky af atomer kan i det væsentlige blive til et stort kvante -superatom, "tillader forskere lettere at udforske potentielt nyttige egenskaber som superledning og superfluiditet.

Teoretiske fysikere Stephen Ragole og Jake Taylor, papirets forfattere, har nu foreslået, at en variation af BEC -ideen kan bruges til at fornemme rotation eller endda undersøge tyngdekraften over korte afstande, hvor andre kræfter som elektromagnetisme generelt overvælder tyngdekraftens virkninger. Ideen er at bruge laserstråler - der allerede er almindeligt anvendt til at manipulere kolde atomer - til at snøre et par tusinde atomer sammen til en ring med en diameter på 10 til 20 mikrometer.

Når ringen er dannet, laserne ville forsigtigt røre den i bevægelse, får atomerne til at cirkulere rundt om det som biler, der kører den ene efter den anden ned ad en enkeltbane. Og ligesom bildæk snurrer, når de kører langs fortovet, atomernes egenskaber ville opfange indflydelsen fra verden omkring dem - herunder virkningerne af tyngdekraften fra masser kun få mikrometer væk.

Ringen ville drage fordel af en af ​​kvantemekanikkens kontraintuitive adfærd for at hjælpe forskere med at måle, hvad dens atomer opfanger om tyngdekraften. Laserne kunne røre atomerne ind i det, der kaldes en "superposition, "betyder faktisk, at de både ville cirkulere om ringen og samtidig stå stille. Denne overlejring af flow og gridlock ville hjælpe med at opretholde forholdet mellem ringens atomer i et par afgørende millisekunder efter fjernelse af deres laserbegrænsninger, nok tid til at måle deres egenskaber, før de spredes.

Ikke alene kan denne kvante trafikprop overvinde en vanskelig udfordring for tyngdekraftsmåling, men det kan hjælpe fysikere med at kassere nogle af de mange konkurrerende teorier om universet - hvilket muligvis kan hjælpe med at opklare en mangeårig trafikprop af ideer.

Et af kosmos store mysterier er, hvorfor det ekspanderer i en tilsyneladende accelererende hastighed. Fysikere har foreslået en ydre kraft, kaldet "mørk energi, "forårsager denne ekspansion, men de har endnu ikke opdaget dens oprindelse. En blandt mange teorier er, at i rumets vakuum, kortvarige virtuelle partikler dukker konstant op og blinker ud af eksistensen, og deres gensidige frastødning skaber mørk energis virkninger. Selvom det er en rimelig nok forklaring på nogle niveauer, fysikere beregner, at disse partikler ville skabe så meget frastødende kraft, at det straks ville sprænge universet fra hinanden. Så hvordan kan de forene observationer med ideen om den virtuelle partikel?

"En mulighed er, at grundtiden i rumtiden kun reagerer på virtuelle partikler, der er mere end et par mikrometer fra hinanden, "Sagde Taylor, "og det er bare den slags adskillelse, vi kunne udforske med denne ring af kolde atomer. Så hvis det viser sig, kan du ignorere virkningen af ​​partikler, der fungerer over disse korte længde -skalaer, du kan stå for meget af denne uobserverede frastødende energi. Det ville være der, det ville bare ikke påvirke noget i kosmisk skala. "

Forskningen fremgår af tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .