Forskere kaster nyt lys over atombølgefunktionen

Fysikere har demonstreret en ny måde at opnå de væsentlige detaljer, der beskriver et isoleret kvantesystem, såsom en gas af atomer, gennem direkte observation. Den nye metode giver oplysninger om sandsynligheden for at finde atomer på bestemte steder i systemet med en hidtil uset rumlig opløsning. Med denne teknik, forskere kan få detaljer på en skala på titalls nanometer - mindre end bredden af ​​en virus.

Eksperimenter udført på Joint Quantum Institute (JQI), et forskningspartnerskab mellem National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland, bruge et optisk gitter - en bane af laserlys, der suspenderer tusindvis af individuelle atomer - til at bestemme sandsynligheden for, at et atom kan være på et givet sted. Fordi hvert enkelt atom i gitteret opfører sig som alle de andre, en måling på hele gruppen af ​​atomer afslører sandsynligheden for, at et individuelt atom befinder sig i et bestemt punkt i rummet.

Udgivet i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , JQI -teknikken (og en lignende teknik udgivet samtidigt af en gruppe ved University of Chicago) kan give sandsynligheden for atomernes placeringer langt under bølgelængden af ​​det lys, der bruges til at belyse atomerne - 50 gange bedre end grænsen for, hvad optisk mikroskopi kan normalt løse.

"Det er en demonstration af vores evne til at observere kvantemekanik, "sagde JQIs Trey Porto, en af ​​fysikerne bag forskningsindsatsen. "Det er ikke blevet gjort med atomer i nærheden af ​​denne præcision."

For at forstå et kvantesystem, fysikere taler ofte om dens "bølgefunktion". Det er ikke bare en vigtig detalje; det er hele historien. Den indeholder alle de oplysninger, du har brug for for at beskrive systemet.

"Det er beskrivelsen af ​​systemet, "sagde JQI -fysikeren Steve Rolston, en anden af ​​papirets forfattere. "Hvis du har oplysninger om bølgefunktionen, du kan beregne alt andet om det - såsom objektets magnetisme, dets ledningsevne og sandsynligheden for at udsende eller absorbere lys. "

Mens bølgefunktionen er et matematisk udtryk og ikke et fysisk objekt, teamets metode kan afsløre den adfærd, som bølgefunktionen beskriver:sandsynlighederne for, at et kvantesystem vil opføre sig på en måde versus en anden. I kvantemekanikens verden, sandsynlighed er alt.

Blandt de mange mærkelige principper for kvantemekanik er tanken om, at før vi måler deres positioner, objekter har muligvis ikke en præcis placering. Elektronerne, der omgiver atomets kerne, for eksempel, rejse ikke i almindelige planetlignende baner, i modsætning til billedet blev nogle af os undervist i skolen. I stedet, de fungerer som bølgende bølger, så en elektron i sig selv ikke kan siges at have en bestemt placering. Hellere, elektronerne opholder sig i uklare områder i rummet.

Alle objekter kan have denne bølgelignende adfærd, men for alt, der er stort nok til, at blotte øjne kan se, effekten er umærkelig, og reglerne for klassisk fysik er gældende - vi bemærker ikke bygninger, spande eller brødkrummer, der breder sig ud som bølger. Men isoler en lille genstand som et atom, og situationen er en anden, fordi atomet eksisterer i et størrelsesområde, hvor kvantemekanikkens virkninger hersker. Det er ikke muligt med sikkerhed at sige, hvor det er placeret, kun at den bliver fundet et sted. Bølgefunktionen giver sandsynligheden for, at atomet findes på et givet sted.

Kvantemekanik er godt nok forstået-af fysikere, alligevel-for et simpelt nok system, eksperter kan beregne bølgefunktionen ud fra første principper uden at skulle observere den. Mange interessante systemer er komplicerede, selvom.

"Der er kvantesystemer, der ikke kan beregnes, fordi de er for vanskelige, "Sagde Rolston - f.eks. Molekyler lavet af flere store atomer." Denne fremgangsmåde kunne hjælpe os med at forstå disse situationer. "

Da bølgefunktionen kun beskriver et sæt sandsynligheder, hvordan kan fysikere få et komplet billede af dets virkninger på kort tid? Teamets tilgang indebærer at måle et stort antal identiske kvantesystemer på samme tid og kombinere resultaterne til et samlet billede. Det er ligesom at rulle 100, 000 par terninger på samme tid - hvert kast giver et enkelt resultat, og bidrager med et enkelt punkt på sandsynlighedskurven, der viser værdierne for alle terningerne.

Hvad teamet observerede var positionerne på de cirka 100, 000 atomer af ytterbium det optiske gitter suspenderes i dets lasere. Ytterbiumatomerne er isoleret fra deres naboer og begrænset til at bevæge sig frem og tilbage langs et endimensionelt linjesegment. For at få et billede i høj opløsning, holdet fandt en måde at observere smalle skiver af disse linjesegmenter, og hvor ofte hvert atom dukkede op i sit respektive skive. Efter at have observeret en region, holdet målte et andet, indtil det havde hele billedet.

Rolston sagde, at selvom han endnu ikke har tænkt på en "dræber -app", der ville drage fordel af teknikken, den blotte kendsgerning, at teamet direkte har afbildet noget centralt for kvanteforskning, fascinerer ham.

"Det er ikke helt indlysende, hvor det vil blive brugt, men det er en ny teknik, der giver nye muligheder, "sagde han." Vi har brugt et optisk gitter til at fange atomer i årevis, og nu er det blevet en ny slags måleværktøj. "