Magisk fælde bevarer kvantekohærens i ultrakolde molekyler længere end forventet

Kvanteteknologier bringer løftet om hurtigere databehandling, forbedret lægemiddeludvikling og nye sensing-applikationer. Kvanteadfærd er dog vanskelig at studere eksperimentelt, da de fleste systemer kun kan opretholde kvanteeffekter i kort tid.

"Grunden til, at kvantefysikkens mystiske træk har en tendens til at forsvinde så hurtigt, er en proces, der kaldes dekohærens," sagde Kaden Hazzard, lektor i fysik og astronomi ved Rice University og en tilsvarende forfatter på en undersøgelse offentliggjort i Nature Physics i> .

"Det opstår, når et kvantesystem interagerer med sine omgivelser, og dette ændrer fysikken. Jo større systemet er og jo større koblinger til omgivelserne, jo mere vil systemet opføre sig på en klassisk, ikke-kvante måde - og du mister din evne. at undersøge ting på kvanteniveau."

Risforskere og samarbejdspartnere var i stand til at forlænge kvanteadfærden i et eksperimentelt system næsten 30 gange ved at bruge ultrakolde temperaturer og laserbølgelængder til at generere en "magisk fælde", der hjalp med at forsinke begyndelsen af ​​dekohærens. Undersøgelsen er den første eksperimentelle demonstration af sin art og giver en ny arena til at studere kvanteinteraktioner.

Simon Cornishs gruppe i Institut for Fysik ved Durham University i Det Forenede Kongerige samarbejdede med Hazzard og hans gruppe på Rice for at afkøle molekyler til en milliard gange under stuetemperatur for at skabe et unikt kvantemekanisk system. De indstiller derefter disse molekyler til at rotere kvantemekanisk – en situation, der er analog med molekyler, der justerer og roterer både med uret og mod uret på samme tid – ved hjælp af mikrobølgestråling.

"Når du afkøler atomer eller molekyler til disse ekstremt lave temperaturer, kan du kontrollere dem med lys," sagde Cornish. "Du kan faktisk bruge lasere til at skubbe på atomerne og få dem til at gå, hvor du vil have dem. Du kan også bruge lasere til at fange eller holde dem, og det giver dig et niveau af præcision og kontrol, som du normalt ikke ville have ."

Generelt henfalder sammenhængen af ​​denne roterende adfærd i de ultrakolde molekyler over en meget kort tid. Før nu blev den længste registrerede kvantetilstand af roterende molekyler målt på 1/20 af et sekund. Cornishs gruppe var imidlertid inspireret af teoretisk arbejde fra Temple Universitys Svetlana Kotochigova, der foreslog en vis "magisk" bølgelængde af lys kunne bevare kvantekohærens i længere tid.

"Kvanteadfærd bliver mere fremtrædende jo koldere systemet er og bringer kvanteadfærden til større længdeskalaer," sagde Jonathan Stepp, en kandidatstuderende i Hazzards gruppe. "Og at have lasere på den rigtige bølgelængde kan 'fange' molekylerne, så de kan rotere i låsetrin, hvilket bevarer kvantekohærensen i længere tid."

Da gruppen anvendte denne teori i laboratoriet som en ny eksperimentel teknik, skabte de en "magisk fælde", der holdt molekylerne roterende kvantemekanisk i betydeligt længere tid. Mens Hazzard troede, at denne "magiske" laserfælde kunne øge kvantekohærensen med to eller tre gange, var han chokeret over at se, at den holdt molekylerne ensartet roterende i næsten 1,5 sekund – en 30-dobling.

"Selvom jeg ikke er overrasket over, at det virkede, er jeg bestemt overrasket over, hvor godt det fungerede," sagde Hazzard.

Zewen Zhang, en anden kandidatstuderende i Hazzards gruppe, sagde, at forbedrede kohærenstider vil gøre det muligt for videnskabsmænd at studere grundlæggende spørgsmål om interagerende kvantestof.

"Når sammenhængstiderne bliver længere, afsløres nye effekter," sagde Zhang. "Vi kan begynde at udforske ved at sammenligne de eksperimentelle målinger med vores beregninger. Forbedret sammenhæng er også et skridt til at bruge ultrakolde molekyler som en platform for forskellige kvanteteknologier."

"Selvom kvanteadfærd lyder som en meget eksotisk ting, er den faktisk ansvarlig for ting, vi ser hver dag, fra hvordan metaller leder elektricitet til hvordan fusion produceres af solen," tilføjede Hazzard, som er medlem af Rice Quantum Initiative og Smalley-Curl Institute. "Hvis du vil lave nye materialer, nye sensorer eller andre kvanteteknologier, skal du forstå, hvad der sker på kvanteniveauet, og denne forskning er et skridt i retning af at opnå ny indsigt."

Flere oplysninger: Philip D. Gregory et al, Andenskala rotationskohærens og dipolære interaktioner i en gas af ultrakolde polære molekyler, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02328-5

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Rice University