Fysikere fryser krystal med 150 ioner

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har "flashfrosset" en flad krystal med 150 berylliumioner (elektrisk ladede atomer), åbner nye muligheder for at simulere magnetisme i kvanteskalaen og registrere signaler fra mystisk mørkt stof.

Mange forskere har i årtier forsøgt at nedkøle vibrerende objekter, der er store nok til at være synlige for det blotte øje, til det punkt, hvor de har den mindste bevægelse, som kvantemekanik tillader, teorien, der styrer stofets adfærd i atomskalaen. Jo koldere jo bedre, fordi det gør enheden mere følsom, mere stabil og mindre forvrænget, og derfor, mere nyttig til praktiske anvendelser. Indtil nu, imidlertid, forskere har kun været i stand til at reducere nogle få typer vibrationer.

I NIST -eksperimentet magnetiske og elektriske felter afkølede og fangede ionerne, så de dannede en skive på mindre end 250 mikrometer (milliontedele af en meter) i diameter. Disken betragtes som en krystal, fordi ionerne er arrangeret i et regelmæssigt gentaget mønster.

Som beskrevet i Fysisk gennemgangsbreve , NIST-forskere nedkølede krystallen på bare 200 mikrosekunder (milliontedele af et sekund), så hver ion havde omkring en tredjedel af energien båret af et enkelt fonon, en pakke bevægelsesenergi i krystallen. Dette er meget tæt på mængden af ​​energi i den lavest mulige kvante "jord" -tilstand for krystalets såkaldte "tromlehoved" -vibrationer, som ligner op-og-ned-bevægelser af en slående tromle.

Forskerne afkølede og bremsede alle 150 tromlehovedvibrationer, en for hver ion. (Simuleringsvideoen herunder viser otte eksempler på typer af tromlehovedvibrationer.) Arbejdet viste, at hundredvis af ioner samlet kan beroliges ved hjælp af denne teknik, et betydeligt fremskridt i forhold til den foregående demonstration af en anden gruppe, der køler en linje på 18 ioner.

For vibrationer ved de afkølede frekvenser i denne demonstration, en tredjedel af energien, der bæres af et fonon, svarer til 50 mikroKelvin, eller 50 milliontedele af en grad over det absolutte nul (minus 459,67 ° F eller minus 273,15 ° C), sagde gruppeleder John Bollinger. Selvom det ikke er en rekordstor temperatur, dette niveau er tæt på den kvantemekaniske jordtilstand for alle tromlehovedtilstande, hvilket betyder, at den termiske bevægelse er lille for et så meget begrænset system, Bollinger bemærkede.

For at opnå så meget afkøling, forskerne rettede to lasere med specifikke frekvenser og effektniveauer mod krystallen. Laserne koblede ionernes energiniveauer på en sådan måde at få ionkrystallen til at miste energi uden at tilføre dens bevægelse. For de fleste laserlyspartikler spredt af krystallen, ionerne mistede bevægelsen, afkøling af krystallen.

Metoden afkøler ikke andre typer vibrationer, såsom side-til-side-bevægelse af den skiveformede krystal. Men tromlehovedbevægelserne har de mest praktiske anvendelser. Kun tromlehovedets vibrationer bruges i kvantesimuleringer og kvantesensorer.

Koldere tromlehovedvibrationer vil gøre ionkrystallen til en mere realistisk simulator af kvantemagnetisme, hvilket kan være svært at beregne på konventionelle computere. Grundkøling bør også muliggøre mere komplicerede sammenfiltrede kvantesystemer, muliggøre bedre målinger til kvanteføler.

"En kvantefølerapplikation, som vi er begejstrede for at undersøge, er sansningen af ​​meget svage elektriske felter, "Med jordtilstandskøling forbedrer vi vores evne til at fornemme elektriske felter på et niveau, der muliggør en søgning efter bestemte typer mørkt stof-aksioner (hypotetiske subatomære partikler) og skjulte fotoner (som endnu ikke er set kraftbærere). "

Fremtidig forskning vil forsøge at afkøle tredimensionelle krystaller med et meget større antal ioner.