Физики расположили атомы в непосредственной близости, открыв путь для исследования экзотических состояний материи

Физики расположили атомы в непосредственной близости, открыв путь для исследования экзотических состояний материи
Физики расположили атомы в непосредственной близости, открыв путь для исследования экзотических состояний материи и новых квантовых материалов.

Физики Массачусетского технологического института разработали метод, позволяющий располагать атомы (представленные в виде сфер со стрелками) на гораздо более близком расстоянии, чем это было возможно ранее, вплоть до 50 нанометров. Группа планирует использовать этот метод для преобразования атомов в конфигурации, которые могли бы создать первые чисто магнитные квантовые ворота — ключевой строительный блок для нового типа квантового компьютера. На этом изображении магнитное взаимодействие представлено цветными линиями. Фото: Ли Ду и др., Массачусетский технологический институт.

Близость является ключевым фактором для многих квантовых явлений, поскольку взаимодействия между атомами сильнее, когда частицы расположены близко. Во многих квантовых симуляторах ученые размещают атомы как можно ближе друг к другу, чтобы исследовать экзотические состояния материи и создавать новые квантовые материалы.


Обычно они делают это, охлаждая атомы до полной остановки, а затем используя лазерный свет, чтобы расположить частицы на расстоянии 500 нанометров друг от друга — предел, который устанавливается длиной волны света. Теперь физики Массачусетского технологического института разработали метод, который позволяет им располагать атомы на гораздо более близком расстоянии, вплоть до 50 нанометров. Для сравнения: ширина эритроцита составляет около 1000 нанометров.

Новый подход физики продемонстрировали в экспериментах с диспрозием, который является самым магнитным атомом в природе. Они использовали новый подход для манипулирования двумя слоями атомов диспрозия и расположили слои на расстоянии ровно 50 нанометров друг от друга. При такой крайней близости магнитные взаимодействия были в 1000 раз сильнее, чем если бы слои были разделены 500 нанометрами.

Статья с описанием этой работы опубликована в журнале. Наука.

Ученым удалось измерить два новых эффекта, вызванных близостью атомов. Их усиленные магнитные силы вызвали «термализацию» или передачу тепла от одного слоя к другому, а также синхронизированные колебания между слоями. Эти эффекты исчезли по мере того, как слои были расположены дальше друг от друга.

«Мы перешли от позиционирования атомов с расстояния 500 нанометров к 50 нанометрам друг от друга, и с этим можно многое сделать», — говорит Вольфганг Кеттерле, профессор физики Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте. «На 50 нанометрах поведение атомов настолько отличается, что мы действительно вступаем в новый режим».

Кеттерле и его коллеги говорят, что новый подход можно применить ко многим другим атомам для изучения квантовых явлений. Со своей стороны, группа планирует использовать эту технику для преобразования атомов в конфигурации, которые могли бы создать первые чисто магнитные квантовые ворота — ключевой строительный блок для нового типа квантового компьютера.

В число соавторов исследования входят ведущий автор и аспирант-физик Ли Ду, а также Пьер Барраль, Майкл Кантара, Юлиус де Хонд и Ю-Кун Лу — все члены Гарвардского Массачусетского технологического института, факультета физики ультрахолодных атомов. и Исследовательская лаборатория электроники Массачусетского технологического института.

Физики расположили атомы в непосредственной близости, открыв путь для исследования экзотических состояний материи и новых квантовых материалов.

Подпись: Аспиранты Ли Ду (слева) и Ю-Кун Лу настраивают управляющую электронику лазерных систем. Фото: Ли Ду и др.

Пики и долины

Чтобы манипулировать атомами и упорядочивать их, физики обычно сначала охлаждают облако атомов до температур, близких к абсолютному нулю, а затем используют систему лазерных лучей, чтобы собрать атомы в оптическую ловушку.

Лазерный свет представляет собой электромагнитную волну с определенной длиной волны (расстоянием между максимумами электрического поля) и частотой. Длина волны ограничивает наименьшую структуру, в которую может быть сформирован свет, обычно до 500 нанометров, так называемого предела оптического разрешения. Поскольку атомы притягиваются лазерным светом определенных частот, атомы будут располагаться в точках пиковой интенсивности лазера. По этой причине существующие методы ограничены в том, насколько близко они могут располагать атомные частицы, и их нельзя использовать для исследования явлений, происходящих на гораздо более коротких расстояниях.

«Обычные методы ограничиваются 500 нанометрами, ограниченными не атомами, а длиной волны света», — объясняет Кеттерле. «Теперь мы нашли новый трюк со светом, позволяющий преодолеть этот предел».

Новый подход команды, как и нынешние методы, начинается с охлаждения облака атомов — в данном случае примерно до 1 микрокельвина, что чуть выше абсолютного нуля, — после чего атомы практически останавливаются. Затем физики смогут использовать лазеры для перемещения замороженных частиц в нужные конфигурации.

Затем Ду и его сотрудники работали с двумя лазерными лучами, каждый из которых имел разную частоту или цвет; и круговая поляризация или направление электрического поля лазера. Когда два луча проходят через переохлажденное облако атомов, атомы могут ориентировать свой спин в противоположных направлениях, следуя поляризации любого из двух лазеров. В результате лучи производят две группы одинаковых атомов, только с противоположными спинами.

Каждый лазерный луч формировал стоячую волну — периодический узор напряженности электрического поля с пространственным периодом 500 нанометров. Из-за различной поляризации каждая стоячая волна притягивала и сжимала одну из двух групп атомов, в зависимости от их спина. Лазеры можно наложить друг на друга и настроить так, чтобы расстояние между их соответствующими пиками составляло всего 50 нанометров, а это означает, что атомы, тяготеющие к пикам каждого соответствующего лазера, будут разделены теми же 50 нанометрами.

Но для того, чтобы это произошло, лазеры должны быть чрезвычайно стабильными и невосприимчивыми ко всем внешним шумам, например, от тряски или даже дыхания во время эксперимента. Команда поняла, что они могут стабилизировать оба лазера, направив их через оптическое волокно, которое будет фиксировать световые лучи на месте относительно друг друга.

«Идея отправить оба луча через оптоволокно означала, что вся машина могла сильно трястись, но два лазерных луча оставались абсолютно стабильными по отношению друг к другу», — говорит Ду.

Физики расположили атомы в непосредственной близости, открыв путь для исследования экзотических состояний материи и новых квантовых материалов.

Лазеры разных цветов используются для охлаждения и захвата атомов диспрозия. Фото: Ли Ду и др.

Магнитные силы на близком расстоянии

В качестве первого испытания своей новой техники команда использовала атомы диспрозия — редкоземельного металла, который является одним из самых сильных магнитных элементов в таблице Менделеева, особенно при сверхнизких температурах. Однако в масштабе атомов магнитные взаимодействия элемента относительно слабы на расстояниях даже 500 нанометров.

Как и в случае с обычными магнитами на холодильнике, магнитное притяжение между атомами увеличивается по мере приближения, и ученые подозревали, что, если бы их новая технология могла расположить атомы диспрозия на расстоянии 50 нанометров друг от друга, они могли бы наблюдать возникновение слабых в противном случае взаимодействий между магнитными атомами.

«У нас внезапно могут возникнуть магнитные взаимодействия, которые раньше были почти незначительными, но теперь стали очень сильными», — говорит Кеттерле.

Команда применила свою технику к диспрозию, сначала переохладив атомы, а затем пропустив через него два лазера, чтобы разделить атомы на две спиновые группы или слои. Затем они направили лазеры через оптическое волокно, чтобы стабилизировать их, и обнаружили, что действительно два слоя атомов диспрозия притягиваются к своим соответствующим лазерным пикам, что фактически разделяет слои атомов на 50 нанометров — самое близкое расстояние, на которое может рассчитывать любой ультрахолодный атом. эксперимент удалось достичь.

При такой чрезвычайно близкой близости естественные магнитные взаимодействия атомов были значительно усилены и были в 1000 раз сильнее, чем если бы они были расположены на расстоянии 500 нанометров друг от друга. Команда заметила, что эти взаимодействия привели к двум новым квантовым явлениям: коллективным колебаниям, при которых вибрации одного слоя заставляют другой слой вибрировать синхронно; и термализация, при которой один слой передает тепло другому исключительно за счет магнитных флуктуаций в атомах.

«До сих пор атомы могли обмениваться теплом только тогда, когда они находились в одном физическом пространстве и могли сталкиваться», — отмечает Ду. «Теперь мы увидели атомные слои, разделенные вакуумом, и они обмениваются теплом посредством флуктуирующих магнитных полей».

Результаты команды представляют новую технику, которую можно использовать для размещения многих типов атомов в непосредственной близости. Они также показывают, что атомы, расположенные достаточно близко друг к другу, могут проявлять интересные квантовые явления, которые можно использовать для создания новых квантовых материалов и, возможно, атомных систем с магнитным приводом для квантовых компьютеров.

«Мы действительно внедряем в эту область методы сверхразрешения, и они станут универсальным инструментом для проведения квантового моделирования», — говорит Кеттерле. «Возможно много вариантов, над которыми мы работаем».

Больше информации:
Ли Ду и др., Атомная физика в масштабе 50 нм: реализация двухслойной системы диполярных атомов, Наука (2024). DOI: 10.1126/science.adh3023. www.science.org/doi/10.1126/science.adh3023

Предоставлено Массачусетским технологическим институтом.

Эта история переиздана благодаря MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярному сайту, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.

Цитирование: Физики размещают атомы в непосредственной близости, открывая путь для исследования экзотических состояний материи (2 мая 2024 г.), получено 3 мая 2024 г. с https://phys.org/news/2024-05-physical-atoms-proximity-paving-exploring. .html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.

Поделиться в соцсетях