To-tonet lysmønster skaber stejle kvantevægge til atomer

Eksotisk fysik kan opstå, når kvantepartikler samles og taler med hinanden. At forstå sådanne processer er udfordrende for videnskabsmænd, fordi partikelinteraktionerne kan være svære at få øje på og endnu sværere at kontrollere. I øvrigt, moderne computersimuleringer kæmper for at forstå al ​​den indviklede dynamik, der foregår i en stor gruppe af partikler. Heldigvis atomer afkølet til nær nul temperaturer kan give indsigt i dette problem.

Lasere kan få kolde atomer til at efterligne den fysik, der ses i andre systemer - en tilgang, der er velkendt terræn for atomfysikere. De bruger jævnligt krydsende laserstråler til at fange atomer i et landskab af bølgende bakker og dale kaldet et optisk gitter. atomer, når den er afkølet, har ikke nok energi til at gå op ad bakkerne, og de sidder fast i dalene. I dette miljø, atomerne opfører sig på samme måde som elektronerne i krystalstrukturen af ​​mange faste stoffer, så denne tilgang giver en ligetil måde at lære om interaktioner inde i virkelige materialer.

Men den konventionelle måde at lave optiske gitter på har nogle begrænsninger. Bølgelængden af ​​laserlyset bestemmer placeringen af ​​bakkerne og dalene, og dermed kan afstanden mellem nabodale – og dermed afstanden mellem atomer – kun krympes til halvdelen af ​​lysets bølgelængde. At bringe atomer tættere på end denne grænse kunne aktivere meget stærkere interaktioner mellem dem og afsløre effekter, der ellers forbliver i mørket.

Nu, et team af forskere fra Joint Quantum Institute (JQI), i samarbejde med forskere fra Instituttet for Kvanteoptik og Kvanteinformation i Innsbruck, Østrig, har omgået bølgelængdegrænsen ved at udnytte atomernes iboende kvantetræk, som skulle gøre det muligt for atomgitter-naboer at komme tættere på end nogensinde før. Den nye teknik formår at presse de blide gitterbakker ind i stejle vægge adskilt af kun en halvtredsindstyvendedel af laserens bølgelængde - 25 gange smallere end muligt med konventionelle metoder. Arbejdet, som er baseret på to tidligere teoretiske forslag, blev for nylig udgivet i Fysisk gennemgangsbreve .

I de fleste optiske gitter, atomer er arrangeret ved at gentage glatte fald i intensiteten af ​​laserlys - en mekanisme, der også fungerer med ikke-kvante objekter som bakterier eller endda glasperler. Men dette ignorerer mange iboende kvantekarakteristika ved atomerne. I modsætning til glasperler, atomer, foranlediget af laserlys i visse farver, internt kan skifte mellem forskellige kvanteversioner af sig selv, kaldet stater. Holdet udnytter denne egenskab til at bygge gitter, der effektivt erstatter de bølgende bakker med spidse funktioner.

"Tricket er, at vi ikke stoler på lysets intensitet i sig selv, " forklarer Yang Wang, en postdoc-forsker ved JQI og hovedforfatteren af ​​papiret. "I stedet, vi bruger lys som et værktøj til at lette en kvantemekanisk effekt. Og det skaber den nye slags landskab for atomerne."

For at skabe dette gitter, forskerne fanger atomerne i et to-tonet lysmønster. Hver farve er valgt, så den kan ændre et atoms indre tilstand på egen hånd, men når de to farver overlapper hinanden, den mere intense farve på hvert sted tager ansvaret og bestemmer, hvilken indre tilstand atomet lander i. Men dette mønster er ikke glat – der er store dale, hvor atomet foretrækker én tilstand, afbrudt af tynde strimler, hvor den skal skifte. Kvantemekanikkens regler dikterer, at hver gang et atom ændrer sin tilstand, atomet skal betale en pris i form af energi, ligesom at bestige en bakke. Mens en glidende overgang kan se ud som en søndagsvandring til atomet, store ændringer over kortere afstande udvikler sig hurtigt til en stadig mere stejl vandretur. I forsøget de tynde strimler inde i lysmønsteret er så smalle, at de ligner uoverstigelige vægge for atomet, så det undgår dem og sætter sig fast ind imellem.

Disse skarpe vægge er et vigtigt første skridt i stræben efter at bringe atomer endnu tættere på. Den nye teknik giver stadig masser af plads til atomer til at rejse i det brede, flade sletter, men forskere planlægger at reducere denne frihed ved at tilføje flere barrierer. "Når vi tager skridt til at begrænse atomerne længere og længere, kvanteeffekter mellem atomerne skulle blive stadig vigtigere, " siger Trey Porto, en JQI Fellow og en forfatter til papiret. "Dette har en praktisk bivirkning, fordi det også øger temperaturen, som vi skal være ved for at se mærkelig kvanteadfærd. Afkøling er ret vanskelig, så dette ville gøre den fysik, vi leder efter, lettere opnåelig."

Forskerholdet siger, at dette værktøj også kan være nyttigt til fremtidige kvantekemieksperimenter, at tillade videnskabsmænd at bringe atomer tæt nok til at engagere sig i en lille skala, meget kontrolleret reaktion.