A kvantummechanika birodalmában a közelség uralkodik. Az MIT fizikusai olyan technikát fejlesztettek ki, amellyel az atomokat (gömbökként ábrázolt nyilakkal) a korábban lehetségesnél sokkal közelebb, akár 50 nanométeres távolságban is el lehet helyezni egymáshoz.
Minél közelebb vannak egymáshoz az atomok, annál erősebbé válik a kölcsönhatásuk, ami egzotikus jelenségek kincseit tárja fel. Ez a közelség döntő fontosságú a kvantumszimulátorok, a tudósok által az új anyagok és anyagállapotok felfedezéséhez használt nagy teljesítményű eszközök számára. Hagyományosan ezek a szimulátorok az atomokat legalább 500 nanométeres távolságban fogták be egymástól, amit a manipulációhoz használt fény hullámhossza korlátoz.
| Az MIT kutatói azonban ledöntötték ezt a korlátot, és egy olyan úttörő technikát fejlesztettek ki, amely az atomokat elképesztő, tízszer közelebb – mindössze 50 nanométerre egymástól – pozicionálja. Hogy ezt perspektívába helyezzük, egy vörösvérsejt nagyjából 1000 nanométer széles, ami rávilágít az elért hihetetlen pontosságra. |
A fényhatár áttörése
A fizikusok általában kétféle megközelítést alkalmaznak az atomok elrendezéséhez: ultrahideg hőmérsékletet és stratégiailag elhelyezett lézereket. A lézerek, a sajátos hullámhosszukkal, diktálják a legkisebb manipulálható mintázatot, amely hagyományosan 500 nanométeren – az optikai felbontás határán – van korlátozva. Mivel az atomokat meghatározott fényfrekvenciák vonzzák, pozicionálásuk a lézer intenzitási csúcspontjain múlik. Ez a korlátozás akadályozta a sokkal szorosabb atomközelséget igénylő jelenségek feltárását.
A fény és a pörgés tánca
A kutatók megközelítése a meglévő módszereket tükrözi, először egy atomfelhőt, jelen esetben a (hatásos mágneses tulajdonságairól ismert) diszpróziumot hűtenek le közel abszolút nullára. Ez a majdnem stacionárius állapot lehetővé teszi a precíz manipulációt lézerrel.
A csapat ezután két lézert alkalmazott, mindkettő különböző frekvenciával (színnel) és körkörös polarizációval (az elektromos mező iránya). Amikor ezek a sugarak kölcsönhatásba lépnek az ultrahideg atomfelhővel, az atomok ellentétes irányba tudják igazítani a spinjeiket, tükrözve a lézerek polarizációját. Ez lényegében két azonos atomcsoportot hoz létre, amelyeket a spinorientációjuk különböztet meg egymástól.
Ez a kényes manipuláció azonban kivételes lézerstabilitást igényel, amely a legkisebb környezeti zavarokra is immunis. A kutatók ezt a kihívást leleményesen úgy oldották meg, hogy mindkét lézert egy optikai szálon keresztül irányították, lényegében szinkronban rögzítve őket egymáshoz képest.
„Még jelentős külső rezgések esetén is a szál biztosította, hogy a két lézersugár tökéletesen stabil maradjon egymáshoz képest”, magyarázza Li Du vezető szerző.
A közelség erejének feltárása
Első kísérletükhöz a csapat diszprózium atomokat használt – ez egy ritkaföldfém, amely kivételes mágneses tulajdonságokkal büszkélkedhet, különösen ultrahideg hőmérsékleten. Atomi szinten azonban ezek a mágneses kölcsönhatások még 500 nanométeres tartományban is gyengék. Ahogy a közönséges mágnesek esetében is, minél közelebb vannak egymáshoz az atomok, annál erősebb a vonzás. A kutatók feltételezték, hogy technikájuk a diszprózium atomok mindössze 50 nanométeres távolságban történő elhelyezésével eddig nem észlelhető kölcsönhatásokat tárhat fel.
„Ezek a korábban elhanyagolható mágneses kölcsönhatások ilyen közelségben hihetetlenül erőssé válnak” , mondja Ketterle.
A kísérlet megerősítette a gyanújukat. A diszprózium atomok szuperhűtésével, a lézerekkel spin alapú rétegekre bontásával, és a lézerek optikai szálakkal való stabilizálásával sikeresen elértek egy 50 nanométeres elkülönítést – az ultrahideg atomokkal végzett kísérletek során valaha elért legközelebbi elrendezést. Ez a drámai közelség jelentősen felerősítette az atomok közötti természetes mágneses kölcsönhatásokat, így azok ezerszer erősebbek lettek, mint 500 nanométeren.
| A csapat két lenyűgöző kvantumjelenséget figyelt meg: a kollektív oszcillációt, amikor az egyik réteg rezgései szinkronizált rezgéseket váltottak ki a másikban, és a termalizációt, amikor a rétegek között kizárólag az atomokon belüli ingadozó mágneses mezőkön keresztül történt a hőátadás. |
„Korábban az atomok közötti hőcseréhez közvetlen fizikai kapcsolatra volt szükség. Itt azt láttuk, hogy a vákuummal elválasztott atomrétegek pusztán mágneses fluktuációkon keresztül cseréltek hőt”, magyarázza Du.
A kvantumkutatás új hajnala
Ez a kutatás forradalmi technikát mutatott be a különböző atomtípusok egymáshoz közeli elhelyezésére. Rávilágít azokra a lenyűgöző kvantumjelenségekre is, amelyek akkor jönnek létre, amikor az atomokat hihetetlenül közel hozzuk egymáshoz. Ez a tudás megnyitja az utat az újszerű kvantumanyagok kifejlesztése előtt, és potenciálisan megnyitja az utat a mágnesesen vezérelt atomi rendszerek előtt a kvantumszámítógépekben.
„Lényegében szuperfelbontású módszereket vezetünk be a kvantumszimulációk területére. Ez rengeteg lehetőség előtt nyit ajtót, és aktívan kutatjuk ennek a technikának a különböző alkalmazásait”, zárja Ketterle.
(forrás)
