Vridning og binding af stofbølger med fotoner i et hulrum

Netop måling af de enkelte atomers energitilstande har været en historisk udfordring for fysikere på grund af atomisk rekyl. Når et atom interagerer med en foton, "rekylerer" atomet i den modsatte retning, hvilket gør det vanskeligt at måle atomets position og momentum præcist. Denne rekyl kan have store konsekvenser for kvantesansning, som registrerer små ændringer i parametre, for eksempel ved at bruge ændringer i gravitationsbølger til at bestemme Jordens form eller endda detektere mørkt stof.

I et nyt papir offentliggjort i Science , JILA og NIST-stipendiater Ana Maria Rey og James Thompson, JILA-stipendiat Murray Holland, og deres teams foreslog en måde at overvinde denne atomare rekyl ved at demonstrere en ny type atomart interaktion kaldet momentum-udvekslingsinteraktion, hvor atomer udvekslede deres momentum ved at udveksle tilsvarende fotoner.

Ved hjælp af et hulrum - et lukket rum sammensat af spejle - observerede forskerne, at atomrekylen blev dæmpet af atomer, der udvekslede energitilstande i det begrænsede rum. Denne proces skabte en kollektiv absorption af energi og spredte rekylen blandt hele populationen af ​​partikler.

Med disse resultater kan andre forskere designe hulrum til at dæmpe rekyl og andre udefrakommende effekter i en lang række eksperimenter, som kan hjælpe fysikere med bedre at forstå komplekse systemer eller opdage nye aspekter af kvantefysikken. Et forbedret hulrumsdesign kunne også muliggøre mere præcise simuleringer af superledning, såsom i tilfældet med Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) crossover eller fysiske højenergisystemer.

For første gang blev momentum-udvekslingsinteraktionen observeret at inducere en-akse vridning (OAT) dynamik, et aspekt af kvantesammenfiltring, mellem atomare momentumtilstande. OAT fungerer som en kvantefletning til at sammenfiltre forskellige molekyler, da hver kvantetilstand bliver snoet og forbundet med en anden partikel.

Tidligere blev OAT kun set i atomare indre tilstande, men nu, med disse nye resultater, menes det, at OAT induceret af momentumudveksling kunne hjælpe med at reducere kvantestøj fra flere atomer. At være i stand til at sammenfiltre momentumtilstande kan også føre til forbedring af nogle fysiske målinger med kvantesensorer, såsom gravitationsbølger.

Udnyttelse af et tæthedsgitter

Inden for denne nye undersøgelse, inspireret af tidligere forskning fra Thompson og hans team, undersøgte forskerne virkningerne af kvantesuperposition, som tillader partikler som fotoner eller elektroner at eksistere i flere kvantetilstande samtidigt.

"I dette [nye] projekt deler atomerne alle den samme spin-etiket; den eneste forskel er, at hvert atom er i en superposition mellem to momentumtilstande," forklarede kandidatstuderende og førsteforfatter Chengyi Luo.

Forskerne fandt ud af, at de bedre kunne kontrollere atomisk rekyl ved at tvinge atomerne til at udveksle fotoner og deres tilknyttede energier. I lighed med et spil dodgeball kan et atom "kaste" en "dodgeball" (en foton) og rekylere i den modsatte retning. Den "dodgeball" kan blive fanget af et andet atom, hvilket kan forårsage den samme mængde rekyl for dette andet atom. Dette udligner de to rekyler, som begge atomer oplever, og gennemsnittet af dem for hele hulrumssystemet.

Når to atomer udveksler deres forskellige fotonenergier, danner den resulterende bølgepakke (et atoms bølgefordeling) i superposition en momentumgraf kendt som et tæthedsgitter, der ligner en fintandet kam.

Luo tilføjede:"Danningen af ​​tæthedsgitteret indikerer, at to momentumtilstande [inden for atomet] er 'kohærente' med hinanden, således at de kunne interferere [med hinanden]." Forskerne fandt ud af, at udvekslingen af ​​fotoner mellem atomer forårsagede en binding af de to atomers bølgepakker, så de ikke længere var separate målinger.

Forskerne kunne fremkalde momentumudveksling ved at udforske samspillet mellem tæthedsgitteret og det optiske hulrum. Fordi atomerne udvekslede energi, blev ethvert rekyl fra at absorbere en foton spredt blandt hele samfundet af atomer i stedet for individuelle partikler.

Dæmpning af Doppler-skiftet

Ved at bruge denne nye kontrolmetode fandt forskerne ud af, at de også kunne bruge dette rekyldæmpningssystem til at hjælpe med at afbøde et separat måleproblem:Doppler-skiftet.

Dopplerskiftet, et fænomen i klassisk fysik, forklarer, hvorfor lyden af ​​en sirene eller toghorn ændrer tonehøjde, når den passerer en lytter, eller hvorfor visse stjerner vises røde eller blå på nattehimmelbilleder - det er ændringen i bølgens frekvens som kilden og observatøren bevæger sig mod (eller væk fra) hinanden. I kvantefysikken beskriver Doppler-skiftet en partikels energiændring på grund af relativ bevægelse.

For forskere som Luo kan Doppler-skiftet være en udfordring at overvinde for at få en præcis måling. "Når man absorberer fotoner, vil atomrekylet føre til et Doppler-skift af fotonens frekvens, hvilket er et stort problem, når man taler om præcisionsspektroskopi," uddybede han. Ved at simulere deres nye metode fandt forskerne ud af, at den kunne overvinde måleskævhed på grund af Doppler Shift.

Forvirrende momentumudveksling

Forskerne fandt også ud af, at impulsudvekslingen mellem disse atomer kunne bruges som en form for kvantesammenfiltring. Som John Wilson, en kandidatstuderende i Holland-gruppen, sagde:"Når et atom falder, bevæger dets bevægelse hulrumsfrekvensen. Det tilskynder igen andre atomer til kollektivt at føle denne feedbackmekanisme og skubber dem til at korrelere deres bevægelse gennem delte vaklen."

For at teste denne "sammenfiltring" yderligere skabte forskerne en større adskillelse mellem atomernes momentumtilstande og inducerede derefter momentumudvekslingen. Forskerne fandt ud af, at atomerne fortsatte med at opføre sig, som om de var forbundet. "Dette indikerer, at de to momentumtilstande virkelig svinger i forhold til hinanden, som om de var forbundet med en fjeder," tilføjede Luo.

Når vi ser fremad planlægger forskerne at undersøge denne nye form for kvantesammenfiltring yderligere i håb om bedre at forstå, hvordan den kan bruges til at forbedre forskellige typer kvanteanordninger.

Flere oplysninger: Chengyi Luo et al., Momentum-udvekslingsinteraktioner i et Bragg-atominterferometer undertrykker Doppler-affasering, Science (2024). DOI:10.1126/science.adi1393. www.science.org/doi/10.1126/science.adi1393

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af JILA