Fysikere arrangerer atomer i umiddelbar nærhed, hvilket baner vejen for at udforske eksotiske tilstande af stof
Nærhed er nøglen til mange kvantefænomener, da interaktioner mellem atomer er stærkere, når partiklerne er tætte. I mange kvantesimulatorer arrangerer videnskabsmænd atomer så tæt på hinanden som muligt for at udforske eksotiske tilstande af stof og bygge nye kvantematerialer.
Det gør de typisk ved at afkøle atomerne til stilstand og derefter bruge laserlys til at placere partiklerne så tæt som 500 nanometer fra hinanden - en grænse, der er sat af lysets bølgelængde. Nu har MIT-fysikere udviklet en teknik, der giver dem mulighed for at arrangere atomer i meget tættere nærhed, ned til blot 50 nanometer. Til sammenhæng er et rødt blodlegeme omkring 1.000 nanometer bredt.
Fysikerne har demonstreret den nye tilgang i forsøg med dysprosium, som er det mest magnetiske atom i naturen. De brugte den nye tilgang til at manipulere to lag dysprosium-atomer og placerede lagene præcis 50 nanometer fra hinanden. Ved denne ekstreme nærhed var de magnetiske interaktioner 1.000 gange stærkere, end hvis lagene var adskilt af 500 nanometer.
En artikel, der beskriver dette arbejde, er offentliggjort i tidsskriftet Science .
Forskerne var i stand til at måle to nye effekter forårsaget af atomernes nærhed. Deres forstærkede magnetiske kræfter forårsagede "termalisering" eller overførsel af varme fra et lag til et andet, såvel som synkroniserede svingninger mellem lag. Disse effekter forsvandt, da lagene var placeret længere fra hinanden.
"Vi er gået fra at placere atomer fra 500 nanometer til 50 nanometer fra hinanden, og der er meget, du kan gøre med dette," siger Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur professor i fysik ved MIT. "Ved 50 nanometer er atomernes adfærd så meget anderledes, at vi virkelig går ind i et nyt regime her."
Ketterle og hans kolleger siger, at den nye tilgang kan anvendes på mange andre atomer til at studere kvantefænomener. På deres side planlægger gruppen at bruge teknikken til at manipulere atomer til konfigurationer, der kunne generere den første rent magnetiske kvanteport - en nøglebyggesten til en ny type kvantecomputer.
Studiets medforfattere inkluderer hovedforfatter og fysikstuderende Li Du sammen med Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond og Yu-Kun Lu - alle medlemmer af MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, Institut for Fysik, og Research Laboratory of Electronics ved MIT.
Toppe og dale
For at manipulere og arrangere atomer, afkøler fysikere typisk først en sky af atomer til temperaturer, der nærmer sig det absolutte nulpunkt, og bruger derefter et system af laserstråler til at indordne atomerne i en optisk fælde.
Laserlys er en elektromagnetisk bølge med en bestemt bølgelængde (afstanden mellem det elektriske felts maksimum) og frekvens. Bølgelængden begrænser det mindste mønster, som lyset kan formes ind i, til typisk 500 nanometer, den såkaldte optiske opløsningsgrænse. Da atomer tiltrækkes af laserlys med visse frekvenser, vil atomer blive placeret ved punkterne med maksimal laserintensitet. Af denne grund har eksisterende teknikker været begrænset i, hvor tæt de kan placere atompartikler, og de kunne ikke bruges til at udforske fænomener, der sker på meget kortere afstande.
"Konventionelle teknikker stopper ved 500 nanometer, ikke begrænset af atomerne, men af lysets bølgelængde," forklarer Ketterle. "Vi har nu fundet et nyt trick med lys, hvor vi kan bryde igennem den grænse."
Holdets nye tilgang, ligesom nuværende teknikker, starter med at afkøle en sky af atomer - i dette tilfælde til omkring 1 mikrokelvin, blot et hår over det absolutte nulpunkt - hvorefter atomerne næsten går i stå. Fysikere kan derefter bruge lasere til at flytte de frosne partikler til de ønskede konfigurationer.
Derefter arbejdede Du og hans samarbejdspartnere med to laserstråler, hver med en forskellig frekvens eller farve; og cirkulær polarisation eller retning af laserens elektriske felt. Når de to stråler bevæger sig gennem en superafkølet sky af atomer, kan atomerne orientere deres spin i modsatte retninger, efter en af de to laseres polarisering. Resultatet er, at bjælkerne producerer to grupper af de samme atomer, kun med modsatte spin.
Hver laserstråle dannede en stående bølge, et periodisk mønster af elektrisk feltintensitet med en rumlig periode på 500 nanometer. På grund af deres forskellige polariseringer tiltrak hver stående bølge en af to grupper af atomer, afhængigt af deres spin. Laserne kunne overlejres og tunes således, at afstanden mellem deres respektive toppe er så lille som 50 nanometer, hvilket betyder, at de atomer, der graviteres til hver respektive lasers toppe, adskilles med de samme 50 nanometer.
Men for at dette kan ske, skal laserne være ekstremt stabile og immune over for al ekstern støj, såsom rystelser eller endda vejrtrækning under eksperimentet. Holdet indså, at de kunne stabilisere begge lasere ved at lede dem gennem en optisk fiber, som tjente til at låse lysstrålerne på plads i forhold til hinanden.
"Ideen om at sende begge stråler gennem den optiske fiber betød, at hele maskinen kunne ryste voldsomt, men de to laserstråler forblev absolut stabile i forhold til hinanden," siger Du.
Magnetiske kræfter på tæt hold
Som en første test af deres nye teknik brugte holdet atomer af dysprosium - et sjældent jordarters metal, der er et af de stærkeste magnetiske elementer i det periodiske system, især ved ultrakolde temperaturer. Men på atomskalaen er grundstoffets magnetiske vekselvirkning relativt svage ved afstande på selv 500 nanometer.
Som med almindelige køleskabsmagneter øges den magnetiske tiltrækning mellem atomer med nærhed, og forskerne havde mistanke om, at hvis deres nye teknik kunne placere dysprosium-atomer så tæt som 50 nanometer fra hinanden, kunne de observere fremkomsten af ellers svage interaktioner mellem de magnetiske atomer.
"Vi kunne pludselig have magnetiske interaktioner, som plejede at være næsten ubetydelige, men nu er virkelig stærke," siger Ketterle.
Holdet anvendte deres teknik til dysprosium, hvor de først superafkølede atomerne og derefter sendte to lasere igennem for at opdele atomerne i to spingrupper eller lag. De dirigerede derefter laserne gennem en optisk fiber for at stabilisere dem, og fandt ud af, at de to lag af dysprosium-atomer faktisk graviterede til deres respektive lasertoppe, hvilket i realiteten adskilte lagene af atomer med 50 nanometer - den nærmeste afstand end et hvilket som helst ultrakoldt atom. eksperiment har været i stand til at opnå.
Ved denne ekstremt tætte nærhed blev atomernes naturlige magnetiske interaktioner væsentligt forbedret og var 1.000 gange stærkere, end hvis de var placeret 500 nanometer fra hinanden. Holdet observerede, at disse interaktioner resulterede i to nye kvantefænomener:kollektiv oscillation, hvor det ene lags vibrationer fik det andet lag til at vibrere synkront; og termalisering, hvor det ene lag overførte varme til det andet, udelukkende gennem magnetiske fluktuationer i atomerne.
"Indtil nu kunne varme mellem atomer kun udveksles, når de var i det samme fysiske rum og kunne kollidere," bemærker Du. "Nu har vi set atomlag, adskilt af vakuum, og de udveksler varme via fluktuerende magnetfelter."
Holdets resultater introducerer en ny teknik, der kan bruges til at placere mange typer atomer i umiddelbar nærhed. De viser også, at atomer, der er placeret tæt nok sammen, kan udvise interessante kvantefænomener, som kunne udnyttes til at bygge nye kvantematerialer og potentielt magnetisk drevne atomsystemer til kvantecomputere.
"Vi bringer virkelig superopløsningsmetoder til feltet, og det vil blive et generelt værktøj til at lave kvantesimuleringer," siger Ketterle. "Der er mange mulige varianter, som vi arbejder på."
Flere oplysninger: Li Du et al, Atomfysik på en 50-nm skala:Realisering af et dobbeltlagssystem af dipolære atomer, Videnskab (2024). DOI:10.1126/science.adh3023. www.science.org/doi/10.1126/science.adh3023
Journaloplysninger: Videnskab
Leveret af Massachusetts Institute of Technology
Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.
Varme artikler
-
Eksotisk fysikfænomen observeres for første gangKredit:CC0 Public Domain Et eksotisk fysisk fænomen, involverer optiske bølger, syntetiske magnetfelter, og tilbageførsel af tid, er blevet observeret direkte for første gang, efter årtiers forsøg -
Kvantemærkelighed giver anledning til ny elektronikNongjian NJ Tao, Ph.D., er direktør for Center for Bioelektronik og Biosensorer ved Biodesign Institute og er professor ved Ira A. Fulton Schools of Engineering ved Arizona State University. Kredit:Bi -
Fremstilling af masker og personlige værnemidler med hydrofile overflader, kan reducere infektionsr…Tørretid for en 5-nanoliter dråbe som funktion af kontaktvinklen på overfladen. Kredit:R. Bhardwaj og A. Agrawal Da COVID-19-virussen spredes gennem åndedrætsdråber, forskere i Indien satte sig fo -
Forskere opfinder en måde at se attosekonde elektronbevægelser med en røntgenlaserEt SLAC-ledet team har opfundet en metode, kaldet XLEAP, der genererer kraftige lavenergirøntgenlaserpulser, der kun er 280 attosekunder, eller milliarder af en milliarddel af et sekund, lang, og det
- Unge er mere bekymrede for Brexit end COVID-19
- Forudsigelsesværktøj viser, hvordan skovudtynding kan øge Sierra Nevada snesæk
- Østrig foreslår at beskatte internetgiganter 5 procent af annonceindtægterne
- Individualister er mindre tilbøjelige til at adlyde orkanevakueringsordrer
- Open source-system, der sikrer softwareopdateringer, der er uddannet for at beskytte førende cloud-…
- Tang kan blive en rentabel brik i den grønne overgangsstiksav