I ett betydande genombrott har fysiker upptäckt att materiens grundläggande byggstenar - atomer klädda med laserljus - kan uppvisa unika interaktioner som inte observeras i deras naturliga tillstånd. Denna upptäckt, rapporterad i tidskriften Nature Physics, banar väg för potentiella tillämpningar inom kvantberäkning och utforskning av grundläggande partiklar som kallas axioner.

När atomer interagerar med laserljus blir de "klädda" med fotoner, vilket skapar kvasipartiklar som kallas klädda atomer eller "klädda tillstånd". Dessa klädda atomer har förändrade egenskaper, inklusive modifierade energinivåer och interaktioner.

Forskargruppen, ledd av fysiker från universitetet i Basel, Max Planck Institute of Quantum Optics och Swiss Nanoscience Institute, genomförde exakta mätningar på fångade cesiumatomer belysta med laserljus. Genom att noggrant kontrollera laserns frekvens, intensitet och polarisation, observerade de uppkomsten av nya atom-atom-interaktioner medierade av laserfotonerna.

Överraskande nog berodde dessa interaktioner på laserljusets specifika egenskaper. Forskarna fann till exempel att de klädda atomerna kunde uppvisa avstötande eller attraktionskrafter, beroende på laserns polarisering och avstämning (frekvensskillnad mellan lasern och atomövergången).

"Våra resultat visar att ljus inte bara kan manipulera atomernas inre struktur utan också deras interaktioner med varandra", säger Dr. Lukas Bruder, forskare vid University of Basel och Max Planck Institute of Quantum Optics. "Detta öppnar nya vägar för att designa kvantsystem med skräddarsydda interaktioner, som kan vara relevanta för kvantsimuleringar och kvantinformationsbehandling."

Dessutom undersökte teamet de potentiella tillämpningarna av klädda atomer för att söka efter axioner, hypotetiska partiklar som är kandidater för mörk materia. Axioner förutspås interagera med fotoner, och de unika egenskaperna hos klädda atomer kan öka känsligheten för axiondetekteringsexperiment.

"De modifierade atom-atom-interaktionerna i klädda atomer kan ge en ny plattform för axionsökningar", säger professor Dr Philipp Treutlein från universitetet i Basel. "Våra fynd kan inspirera framtida experiment utformade för att direkt detektera axioner och belysa naturen hos mörk materia."

Studien belyser den rika fysiken och potentiella tillämpningar av klädda atomer inom olika områden, inklusive kvantsimulering, kvantinformationsbehandling och utforskning av fundamentala partiklar. Ytterligare forskning inom detta område skulle kunna avslöja ännu mer anmärkningsvärda fenomen och insikter i kvantvärlden.