Team opfinder en ny måde at se kvanteverdenen på

JILA-forskere har opfundet en ny billedbehandlingsteknik, der producerer hurtige, præcise målinger af kvanteadfærd i et atomur i form af næsten øjeblikkelig billedkunst.

Teknikken kombinerer spektroskopi, som udvinder information fra interaktioner mellem lys og stof, med højopløsningsmikroskopi.

Som beskrevet i Fysisk gennemgangsbreve , JILA-metoden laver rumlige kort over energiskift mellem atomerne i et tredimensionelt strontiumgitter-atomur, give information om hvert atoms placering og energiniveau, eller kvantetilstand.

Teknikken måler hurtigt fysiske effekter, der er vigtige for atomure, dermed forbedre urets præcision, og det kan tilføje nye detaljer på atomniveau til studier af fænomener som magnetisme og superledning. I fremtiden, metoden kan give forskere mulighed for endelig at se ny fysik, såsom sammenhængen mellem kvantefysik og tyngdekraften.

JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

"Denne teknik giver os mulighed for at skrive et stykke smuk 'musik' med laserlys og atomer, og derefter kortlægge det i en struktur og fryse det som en sten, så vi kan se på individuelle atomer, der lytter til laserens forskellige toner, læses direkte op som et billede, " sagde JILA/NIST-stipendiat Jun Ye.

Atomerne er i en såkaldt kvantedegenereret gas, hvor et stort antal atomer interagerer med hinanden. Dette "quantum many-body"-fænomen udvider målepræcisionen til nye yderpunkter.

For at forberede atomer til et skønhedsbillede, forskere bruger en laserpuls til at køre omkring 10, 000 strontiumatomer fra deres lavenergi grundtilstand til en højenergi, ophidset tilstand. Derefter, en blå laser placeret under gitteret skinner opad lodret gennem atomerne, og et kamera tager et billede af skyggen atomerne kaster, hvilket er en funktion af hvor meget lys de absorberer. Grundtilstandsatomer absorberer mere lys.

De resulterende billeder er falske farverepræsentationer af atomer i grundtilstand (blå) og exciteret tilstand (rød). Det hvide område repræsenterer atomer i en fin blanding af omkring 50 procent rød og 50 procent blå, skabe en plettet effekt. Dette sker, fordi disse atomer oprindeligt blev fremstillet i en kvantetilstand af superposition, eller både jord- og exciterede tilstande samtidigt, og billedmålingen beder om et kollaps i en af ​​de to tilstande, som skaber "støj" i billedet.

Som en demonstration, JILA-teamet skabte en serie billeder for at kortlægge små frekvensskift, eller fraktioner af atomer i den exciterede tilstand, på tværs af forskellige områder af gitteret. Evnen til at foretage samtidige sammenligninger forbedrer præcision og hastighed i målinger af en gruppe atomer. Forskerne rapporterede, at de opnåede en rekordpræcision i målefrekvensen på 2,5 x 10-19 (fejl på kun 0,25 dele pr. milliard milliard) på 6 timer. Billedspektroskopi forventes i høj grad at forbedre præcisionen af ​​JILA atomuret, og andre atomure generelt.

Billedspektroskopi giver information om atomernes lokale miljø, svarende til den utrolige opløsning, der tilbydes af scanning tunneling mikroskopi. Indtil nu, metoden er blevet brugt til at fremstille todimensionelle billeder, men det kunne lave 3D-billeder baseret på lag-for-lag målinger, som det gøres i tomografi, som kombinerer flere tværsnit af faste genstande, sagde du.

En slags kunstig krystal, atomgitteret kunne også bruges som en magnetisk eller gravitationssensor til at teste samspillet mellem forskellige fysikfelter. Ye er mest begejstret for den fremtidige mulighed for at bruge atomerne i uret som en tyngdekraftssensor, for at se, hvordan kvantemekanik, som opererer på meget små rumlige skalaer, interagerer med generel relativitetsteori, teorien om tyngdekraften, en makroskopisk kraft.

"I takt med at uret bliver bedre i de næste 20 år, denne lille krystal kunne ikke kun kortlægge, hvordan tyngdekraften påvirker frekvensen, men vi kunne også begynde at se samspillet mellem tyngdekraft og kvantemekanik, " sagde I. "Dette er en fysisk effekt, som ingen eksperimentel sonde nogensinde har målt. Denne billedbehandlingsteknik kan blive et meget vigtigt værktøj."