Forskere ser tegn på interaktiv form for kvantemateriale

JILA-forskere har, for første gang, isolerede grupper af få atomer og målte præcist deres multi-partikel-interaktioner inden for et atomur. Fremskridtet vil hjælpe videnskabsmænd med at kontrollere interagerende kvantestof, som forventes at øge atomurets ydeevne, mange andre typer sensorer, og kvanteinformationssystemer.

Forskningen er beskrevet i en Natur papir lagt ud tidligt online 31. oktober. JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

NIST -forskere har forudsagt "mange krops" fysikker og dens fordele i årevis, men det nye JILA -værk giver det første kvantitative bevis på præcis, hvad der sker, når man pakker nogle få fermioner sammen - atomer, der ikke kan være i samme kvantetilstand og -sted på samme tid.

"Vi forsøger at forstå fremkomsten af ​​kompleksitet, når flere partikler - atomer her - interagerer med hinanden, " sagde NIST og JILA Fellow Jun Ye. "Selvom vi måske forstår reglerne perfekt om, hvordan to atomer interagerer, når flere atomer mødes, er der altid overraskelser. Vi vil forstå overraskelserne kvantitativt. "

Dagens bedste værktøjer til måling af mængder som tid og frekvens er baseret på kontrol af individuelle kvantepartikler. Dette er tilfældet, selv når ensembler af tusindvis af atomer bruges i et atomur. Disse målinger nærmer sig den såkaldte standardkvantegrænse-en "væg", der forhindrer yderligere forbedringer ved hjælp af uafhængige partikler.

Udnyttelse af mange-partikel-interaktioner kan skubbe den væg tilbage eller endda bryde igennem den, fordi en konstrueret kvantetilstand kunne undertrykke atomkollisioner og beskytte kvantetilstande mod interferens, eller støj. Ud over, atomer i sådanne systemer kunne arrangeres for at annullere hinandens kvantestøj, så sensorer ville blive bedre, efterhånden som flere atomer blev tilføjet, lovende betydelige spring i præcision og datakapacitet.

I den nye forskning, JILA-teamet brugte deres tredimensionerede strontiumgitterur], som tilbyder præcis atomkontrol. De skabte arrays med mellem et og fem atomer pr. Gittercelle, og brugte derefter en laser til at indstille uret "tikkende, "eller skifte med en bestemt frekvens mellem to energiniveauer i atomerne. JILAs nye billeddannelsesteknik blev brugt til at måle atomernes kvantetilstande.

Forskerne observerede uventede resultater, når tre eller flere atomer var sammen i en celle. Resultaterne var ikke -lineære, eller uforudsagt baseret på tidligere erfaring, et kendetegn ved multi-partikel interaktioner. Forskerne kombinerede deres målinger med teoretiske forudsigelser af NIST-kollegaerne Ana Maria Rey og Paul Julienne for at konkludere, at interaktioner med flere partikler opstod.

Specifikt, urets frekvens skiftede på uventede måder, når tre eller flere atomer var på et gittersted. Skiftet er forskelligt fra, hvad man ville forvente af at opsummere forskellige par atomer. For eksempel, fem atomer pr. celle forårsagede et skift på 20 procent i forhold til, hvad der normalt ville forventes.

"Når du får tre atomer pr. Celle, reglerne ændres, "Sagde du. Det er fordi atomernes atomspin og elektroniske konfigurationer spiller sammen for at bestemme den samlede kvantetilstand, og atomer kan alle interagere samtidigt i stedet for parvis, han sagde.

Multipartikeleffekter optrådte også i overfyldte gitterceller i form af en usædvanlig, hurtig forfaldsproces. To atomer pr. triade dannede et molekyle og et atom forblev løst, men alle havde nok energi til at slippe fælden. Derimod, et enkelt atom forbliver sandsynligvis i en celle i meget længere tid, Sagde du.

"Det betyder, vi kan sikre os, at der kun er et atom pr. celle i vores atomur, "I sagde." Forståelse af disse processer giver os mulighed for at finde ud af en bedre vej til forbedrede ure, da partikler uundgåeligt vil interagere, hvis vi pakker nok af dem i nærheden til at forbedre signalstyrken."

JILA-teamet fandt også ud af, at pakning af tre eller flere atomer i en celle kan resultere i lang levetid, stærkt sammenfiltrede stater, hvilket betyder, at atomernes kvanteegenskaber var forbundet på en stabil måde. Denne enkle metode til sammenfiltring af flere atomer kan være en nyttig ressource til behandling af kvanteoplysninger.