Membuka kemungkinan baru untuk sensor kuantum, jam atom dan tes fisika fundamental, peneliti JILA telah mengembangkan cara baru untuk “menjerat” atau menghubungkan sifat-sifat sejumlah besar partikel. Dalam prosesnya, mereka telah menemukan cara untuk mengukur kelompok besar atom dengan lebih akurat bahkan di lingkungan yang berisik dan mengganggu.
Jam atom dengan akurasi lebih tinggi, seperti “jam penjepit” yang digambarkan di sini, dapat dihasilkan dari menghubungkan atau “menjerat” atom dengan cara baru melalui metode yang dikenal sebagai “spin squeezing,” di mana satu sifat atom diukur lebih tepat daripada biasanya diperbolehkan dalam mekanika kuantum dengan mengurangi presisi pengukuran properti komplementer. Kredit gambar: S. Burrows/JILA
Teknik-teknik baru ini dijelaskan dalam sepasang makalah yang diterbitkan di Alam. JILA adalah lembaga gabungan dari Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST) dan Universitas Colorado Boulder.
“Keterikatan adalah cawan suci ilmu pengukuran,” kata Ana Maria Rey, fisikawan teoretis dan anggota JILA dan NIST.
“Atom adalah sensor terbaik yang pernah ada. Itu bersifat universal. Masalahnya adalah mereka adalah objek kuantum, jadi pada dasarnya mereka berisik. Saat Anda mengukurnya, terkadang mereka berada dalam satu kondisi energi, terkadang dalam kondisi lain. Saat Anda menjeratnya, Anda dapat menghilangkan kebisingannya.”
Ketika atom-atom terjerat, apa yang terjadi pada satu atom akan mempengaruhi semua atom yang terjerat padanya. Memiliki lusinan – lebih baik lagi, ratusan – atom yang terjerat bekerja sama mengurangi kebisingan, dan sinyal dari pengukuran menjadi lebih jelas, lebih pasti. Atom-atom yang terjerat juga mengurangi jumlah waktu yang dibutuhkan para ilmuwan untuk melakukan pengukuran, sehingga mendapatkan hasil dalam waktu yang lebih singkat.
Spintronics – konsep artistik. Kredit gambar: Kreativitas103 melalui flickr, CC OLEH 2.0
Salah satu cara untuk menjeratnya adalah dengan proses yang disebut spin squeezing. Seperti semua benda yang mematuhi aturan fisika kuantum, atom dapat berada dalam berbagai tingkat energi sekaligus, suatu kemampuan yang dikenal sebagai superposisi. Pemerasan putaran mengurangi semua kemungkinan keadaan superposisi dalam sebuah atom menjadi beberapa kemungkinan saja. Ini seperti meremas balon.
Saat Anda menekan balon, bagian tengahnya menyusut dan ujung yang berlawanan menjadi lebih besar. Ketika atom-atom berputar terjepit, rentang keadaan yang mungkin terjadi menyempit di beberapa arah dan meluas di arah lain.
Namun lebih sulit untuk menjerat atom yang letaknya berjauhan. Atom memiliki interaksi yang lebih kuat dengan atom yang paling dekat dengannya; semakin jauh atomnya, semakin lemah interaksinya.
Fisika kuantum, lautan kegembiraan – interpretasi artistik. Kredit gambar: Sigmund melalui Unsplash, lisensi gratis
Anggap saja seperti orang-orang berbicara di pesta yang ramai. Orang-orang yang paling dekat satu sama lain dapat melakukan percakapan, tetapi orang-orang di seberang ruangan hampir tidak dapat mendengarnya, dan informasi pun hilang. Para ilmuwan ingin seluruh kelompok atom berbicara satu sama lain pada saat yang bersamaan. Fisikawan di seluruh dunia mencari cara berbeda untuk mencapai keterjeratan tersebut.
“Tujuan utama komunitas ini adalah menghasilkan keadaan terjerat untuk mendapatkan pengukuran dengan presisi lebih tinggi dalam waktu yang lebih singkat,” kata Adam Kaufman, fisikawan dan JILA Fellow.
Kaufman dan Rey bekerja sama dalam proposal untuk mencapai keterikatan tersebut, salah satunya Rey dan kolaboratornya di Universitas Innsbruck di Austria mendemonstrasikannya.
Dalam percobaan ini, tim menempatkan 51 ion kalsium dalam sebuah perangkap dan menggunakan laser untuk menginduksi interaksi di antara mereka. Ini karena laser menggairahkan fonon, getaran seperti gelombang suara antar atom.
Fonon-fonon itu menyebar ke bawah garis atom, menghubungkannya bersama-sama. Dalam percobaan sebelumnya, tautan ini direkayasa agar bersifat statis, sehingga ion hanya dapat berbicara dengan sekumpulan ion tertentu ketika disinari oleh laser.
Keadaan kuantum, fisika kuantum – interpretasi artistik. Kredit gambar: Ben Wicks melalui Unsplash, lisensi gratis
Dengan menambahkan medan magnet eksternal, hubungan tersebut dapat dibuat dinamis, tumbuh, dan berubah seiring waktu. Artinya, sebuah ion yang hanya dapat berbicara dengan satu kelompok ion pada awalnya dapat berbicara dengan kelompok ion lain, dan pada akhirnya, ion tersebut dapat berbicara dengan semua ion lain dalam susunannya.
Hal ini mengatasi masalah jarak tersebut, kata Rey, dan interaksinya kuat hingga ke garis atom. Sekarang semua atom bekerja sama, dan mereka semua dapat berbicara satu sama lain tanpa kehilangan pesannya.
Dalam waktu singkat, ion-ion tersebut menjadi terjerat, membentuk keadaan berputar-putar, namun seiring berjalannya waktu, ion-ion tersebut berubah menjadi apa yang disebut keadaan kucing. Nama keadaan ini diambil dari eksperimen pemikiran Erwin Schrodinger yang terkenal tentang superposisi, di mana ia mengusulkan bahwa a kucing yang terperangkap di dalam kotak masih hidup dan mati sampai kotak tersebut dibuka dan dapat diamati keadaannya.
Untuk atom, keadaan kucing adalah jenis superposisi khusus yang mana atom-atom berada dalam dua keadaan yang berlawanan secara diametral, seperti atas dan bawah, pada saat yang bersamaan. Keadaan kucing sangat rumit, kata Rey, sehingga menjadikannya sangat bagus untuk ilmu pengukuran.
Langkah selanjutnya adalah mencoba teknik ini dengan susunan atom dua dimensi, meningkatkan jumlah atom untuk meningkatkan berapa lama mereka dapat bertahan dalam keadaan terjerat ini. Selain itu, hal ini berpotensi memungkinkan para ilmuwan melakukan pengukuran dengan lebih tepat dan lebih cepat.
Keterikatan yang menekan putaran juga dapat bermanfaat bagi jam atom optik, yang merupakan alat ilmu pengukuran yang penting. Kaufman dan kelompoknya di JILA, bersama dengan kolaborator di kelompok rekan NIST/JILA, Jun Ye, menguji metode berbeda dalam studi lain dalam edisi ini Alam.
Para peneliti memasukkan 140 atom strontium ke dalam kisi optik, sebuah bidang cahaya tunggal untuk menahan atom. Mereka menggunakan berkas cahaya yang dikontrol secara halus, yang disebut pinset optik, untuk menempatkan atom ke dalam subkelompok kecil yang masing-masing terdiri dari 16 hingga 70 atom.
Dengan laser ultraviolet berkekuatan tinggi, mereka mengeksitasi atom-atom ke dalam superposisi keadaan “jam” biasanya dan keadaan Rydberg yang berenergi lebih tinggi. Teknik ini disebut balutan Rydberg.
Atom-atom keadaan jam seperti orang-orang yang pendiam di pesta yang ramai; mereka tidak berinteraksi secara kuat dengan orang lain. Namun untuk atom dalam keadaan Rydberg, elektron terluar berada sangat jauh dari pusat atom sehingga ukuran atom sebenarnya sangat besar, sehingga memungkinkannya berinteraksi lebih kuat dengan atom lainnya.
Sekarang seluruh partai sedang berbicara. Dengan teknik spin-squeezing ini, mereka dapat menciptakan belitan di seluruh susunan 70 atom.
Para peneliti membandingkan pengukuran frekuensi antara kelompok 70 atom dan menemukan bahwa keterjeratan ini meningkatkan presisi di bawah batas partikel yang tidak terikat, yang dikenal sebagai batas kuantum standar.
Pengukuran yang lebih cepat dan tepat akan memungkinkan jam ini menjadi sensor yang lebih baik untuk mencari materi gelap dan menghasilkan pengukuran waktu dan frekuensi yang lebih baik.
Dokumen:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi dan Christian F. Roos. Penginderaan yang ditingkatkan kuantum pada transisi optik melalui interaksi jarak terbatas. Alam. 30 Agustus 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 dan Adam M. Kaufman. Menyadari putaran yang terjepit dengan interaksi Rydberg dalam jam optik. Alam. 30 Agustus 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Sumber: NIST
