Uute võimaluste avamine kvantandurid, aatomkellad ja fundamentaalfüüsika testid, on JILA teadlased välja töötanud uued viisid suure hulga osakeste omaduste "põimumiseks" või omavaheliseks sidumiseks. Selle käigus on nad välja töötanud viise, kuidas mõõta suuri aatomirühmi täpsemalt isegi häirivas ja mürarikkas keskkonnas.
Suurema täpsusega aatomkellad, nagu siin kujutatud "pintsettkell", võivad tuleneda aatomite ühendamisest või "põimumisest" uuel viisil meetodi abil, mida nimetatakse "spinni pigistamiseks", mille käigus mõõdetakse aatomi ühte omadust täpsemalt kui on kvantmehaanikas tavaliselt lubatud, vähendades täiendava omaduse mõõtmise täpsust. Pildi krediit: S. Burrows/JILA
Uusi tehnikaid on kirjeldatud aastal avaldatud artiklite paaris Loodus. JILA on riikliku standardi- ja tehnoloogiainstituudi (NIST) ja Colorado Boulderi ülikooli ühine instituut.
"Põimumine on mõõtmisteaduse püha graal," ütles teoreetiline füüsik ning JILA ja NISTi stipendiaat Ana Maria Rey.
"Aatomid on kõigi aegade parimad andurid. Need on universaalsed. Probleem on selles, et need on kvantobjektid, seega on nad oma olemuselt mürarikkad. Kui neid mõõta, on nad mõnikord ühes energia olekus, mõnikord teises olekus. Kui need mässida, saate müra summutada.
Kui aatomid on takerdunud, mõjutab ühe aatomiga toimuv kõiki sellega seotud aatomeid. Kümnete – veel parem, sadade – takerdunud aatomite koos töötamine vähendab müra ning mõõtmise signaal muutub selgemaks ja kindlamaks. Põimunud aatomid vähendavad ka kordade arvu, mil teadlased peavad oma mõõtmisi tegema, saades tulemused lühema ajaga.
Spintroonika – kunstiline kontseptsioon. Pildi krediit: Creativity103 via Flickr, CC BY 2.0
Üks takerdumise viise on protsess, mida nimetatakse spin pigistamiseks. Nagu kõik objektid, mis järgivad kvantfüüsika reegleid, võivad aatomid eksisteerida korraga mitmes energiaseisundis, mida nimetatakse superpositsiooniks. Spin pigistamine vähendab kõik need võimalikud superpositsiooni olekud aatomis vaid mõne võimaluseni. See on nagu õhupalli pigistamine.
Kui õhupalli pigistada, siis keskmine kahaneb ja vastasotsad muutuvad suuremaks. Kui aatomeid spin-pigistada, võib nende võimalike olekute vahemik mõnes suunas kitseneda ja mõnes suunas laieneda.
Kuid üksteisest kaugemal asuvaid aatomeid on raskem mässida. Aatomitel on tugevam vastastikmõju neile kõige lähemal asuvate aatomitega; mida kaugemal on aatomid, seda nõrgem on nende vastastikmõju.
Kvantfüüsika, eksitonite meri – kunstiline tõlgendus. Pildi krediit: Sigmund Unsplashi kaudu, tasuta litsents
Mõelge sellele nagu inimesed, kes räägivad rahvarohkel peol. Üksteisele kõige lähedasemad inimesed saavad vestelda, kuid ruumis viibijad kuulevad neid vaevu ja teave läheb mööda joont kaduma. Teadlased tahavad, et kogu aatomite seltskond räägiks üksteisega samal ajal. Kõik füüsikud üle maailma otsivad erinevaid viise selle takerdumise saavutamiseks.
"Kogukonna peamine eesmärk on tekitada takerdunud olekuid, et saada lühema ajaga täpsemaid mõõtmisi," ütles füüsik ja JILA stipendiaat Adam Kaufman.
Kaufman ja Rey töötasid koos ettepanekutega selle takerdumise saavutamiseks, millest üks Rey ja tema kaastöötajad Austrias Innsbrucki ülikoolis demonstreerisid.
Selles katses reastas meeskond lõksu 51 kaltsiumiooni ja kasutas nendevaheliste interaktsioonide esilekutsumiseks lasereid. Selle põhjuseks on asjaolu, et laser ergastab fononeid, vibratsioonid omamoodi nagu helilained aatomite vahel.
Need fononid levivad mööda aatomite rida, ühendades need omavahel. Varasemates katsetes konstrueeriti need lingid staatiliseks, nii et ioon saaks laserite valgustamisel rääkida ainult teatud ioonide komplektiga.
Kvantseisundid, kvantfüüsika – kunstiline tõlgendus. Pildi krediit: Ben Wicks Unsplashi kaudu, tasuta litsents
Lisades väliseid magnetvälju, oli võimalik muuta lingid dünaamiliseks, ajas kasvavaks ja muutuvaks. See tähendas, et ioon, mis suutis alguses rääkida ainult ühe ioonirühmaga, võis rääkida teise rühmaga ja lõpuks suutis see rääkida kõigi teiste massiivi ioonidega.
See ületab selle kaugusprobleemi, ütleb Rey, ja vastastikmõjud olid tugevad kogu aatomiliini ulatuses. Nüüd töötasid kõik aatomid koos ja nad võisid kõik omavahel rääkida, ilma et sõnum teel oleks kadunud.
Lühikese aja jooksul takerdusid ioonid, moodustades tsentrifuugimisega pigistatud oleku, kuid veidi rohkem aega muutusid nad nn kassi olekuks. See olek on nime saanud Erwin Schrodingeri kuulsa superpositsiooni mõtteeksperimendi järgi, milles ta tegi ettepaneku, et a kasti lõksu jäänud kass on nii elus kui surnud kuni karp avatakse ja selle olekut saab jälgida.
Aatomite jaoks on kassi olek eriline superpositsioon, kus aatomid on samal ajal kahes diametraalselt vastandlikus olekus, nagu üles ja alla. Rey juhib tähelepanu sellele, et kassi seisundid on väga segased, muutes need mõõtmisteaduse jaoks eriti suurepäraseks.
Järgmine samm on proovida seda tehnikat kahemõõtmelise aatomite massiiviga, suurendades aatomite arvu, et parandada, kui kaua nad võivad nendes takerdunud olekutes püsida. Lisaks võib see potentsiaalselt võimaldada teadlastel teha mõõtmisi täpsemalt ja palju kiiremini.
Pöörlemist pigistavast takerdumisest võib kasu olla ka optiliste aatomkellade jaoks, mis on oluline mõõtmisteaduse tööriist. Kaufman ja tema rühm JILA-s katsetasid koos kaastöötajatega NIST/JILA kolleegi Jun Ye rühmas teistsugust meetodit. teine uurimus selles numbris Loodus.
Teadlased laadisid 140 strontsiumi aatomit optilisse võresse, aatomite hoidmiseks ühte valgustasapinda. Nad kasutasid täpselt juhitud valguskiire, mida nimetatakse optilisteks pintsettideks, et paigutada aatomid väikestesse 16–70 aatomist koosnevatesse alarühmadesse.
Suure võimsusega ultraviolettlaseriga ergastasid nad aatomid nende tavapärase "kella" oleku ja kõrgema energiaga Rydbergi oleku superpositsiooniks. Seda tehnikat nimetatakse Rydbergi riietamiseks.
Kella oleku aatomid on nagu vaiksed inimesed rahvarohkel peol; nad ei suhtle teistega tugevalt. Kuid Rydbergi oleku aatomite puhul on välimine elektron aatomi keskpunktist nii kaugel, et aatom on tegelikult väga suur, võimaldades tal teiste aatomitega tugevamalt suhelda.
Nüüd räägib kogu seltskond. Selle tsentrifuugimise tehnikaga võivad nad tekitada takerdumise kogu 70 aatomi massiivi ulatuses.
Teadlased võrdlesid sageduse mõõtmisi 70-aatomiliste rühmade vahel ja leidsid, et see takerdumine parandas täpsust alla takerdumata osakeste piiri, mida tuntakse standardse kvantlimiidina.
Kiiremad ja täpsemad mõõtmised võimaldavad neil kelladel olla paremad andurid tumeaine otsimiseks ning parema aja ja sageduse mõõtmiseks.
Ettekanded:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi ja Christian F. Roos. Kvant-täiustatud tuvastamine optiliste üleminekute puhul piiratud ulatusega interaktsioonide kaudu. Loodus. 30. august 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-06472-z
William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye ja Adam M. Kaufman. Pöörlemise pigistamise realiseerimine koos Rydbergi interaktsioonidega optilises kellas. Loodus. 30. august 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Allikas: NIST
