När är en trafikstockning inte en trafikstockning? När det är en kvant trafikstockning, självklart. Endast inom kvantfysiken kan trafiken stå stilla och röra sig samtidigt.

En ny teoretisk uppsats från forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland föreslår att avsiktligt skapa just en sådan trafikstockning ur en ring med flera tusen ultrakylda atomer kan möjliggöra exakta mätningar av rörelse. Om den implementeras med rätt experimentell installation, atomerna kan ge en mätning av gravitationen, möjligen till och med på avstånd så korta som 10 mikrometer - ungefär en tiondel av ett människohårs bredd.

Medan författarna betonar att mycket arbete återstår att visa att en sådan mätning skulle kunna uppnås, den potentiella utbetalningen skulle vara ett klargörande av gravitationens drag vid mycket korta längder. Anomalier kan ge stora ledtrådar om gravitationens beteende, inklusive varför vårt universum verkar expandera i en accelererande takt.

Förutom att kunna besvara djupa grundläggande frågor, dessa atomringar kan ha praktiska tillämpningar, för. De kan leda till rörelsessensorer mycket mer exakt än tidigare möjligt, eller fungera som switchar för kvantdatorer, med 0 representerat av atom gridlock och 1 genom att flytta atom trafik.

Författarna till uppsatsen är anslutna till Joint Quantum Institute och Joint Center for Quantum Information and Computer Science, båda är partnerskap mellan NIST och University of Maryland.

Under de senaste två decennierna har fysiker har utforskat ett exotiskt tillstånd av materia som kallas ett Bose-Einstein-kondensat (BEC), som existerar när atomer överlappar varandra vid kalla temperaturer en smidgen av en grad från absolut noll. Under dessa omständigheter, ett litet moln av atomer kan i huvudsak bli en stor kvant "superatom, "låter forskare lättare utforska potentiellt användbara egenskaper som supraledning och överflödighet.

Teoretiska fysiker Stephen Ragole och Jake Taylor, tidningens författare, har nu föreslagit att en variation på BEC -idén skulle kunna användas för att känna av rotation eller till och med utforska gravitationen över korta sträckor, där andra krafter som elektromagnetism generellt överväldigar gravitationens effekter. Tanken är att använda laserstrålar - som redan vanligtvis används för att manipulera kalla atomer - för att sno ihop några tusen atomer till en ring med 10 till 20 mikrometer i diameter.

När ringen väl har bildats, lasrarna rörde försiktigt upp den, att få atomerna att cirkulera runt den som bilar som färdas en efter en längs en enfilig körbana. Och precis som bildäck snurrar när de färdas längs trottoaren, atomernas egenskaper skulle ta upp påverkan av världen runt dem - inklusive effekterna av gravitation från massor bara några mikrometer bort.

Ringen skulle dra nytta av en av kvantmekanikens kontraintuitiva beteenden för att hjälpa forskare att faktiskt mäta vad dess atomer tar upp om gravitationen. Lasrarna kan röra atomerna till det som kallas en "superposition, "vilket i själva verket skulle både cirkulera kring ringen och samtidigt stå stilla. Denna överlagring av flöde och gridlock skulle hjälpa till att upprätthålla relationerna mellan ringens atomer i några avgörande millisekunder efter att ha tagit bort sina laserbegränsningar, tillräckligt med tid för att mäta deras egenskaper innan de sprids.

Inte bara kan denna kvantstopp övervinna en svår utmaning för gravitation, men det kan hjälpa fysiker att slänga några av de många konkurrerande teorierna om universum - vilket kan hjälpa till att rensa upp en långvarig trafikstockning av idéer.

Ett av kosmos stora mysterier är varför det expanderar i en till synes accelererande takt. Fysiker har föreslagit en utåtriktad kraft, kallad "mörk energi, "orsakar denna expansion, men de har ännu inte upptäckt dess ursprung. En av många teorier är att i rymdens vakuum, kortlivade virtuella partiklar dyker ständigt upp och blinkar ur existensen, och deras ömsesidiga avstötning skapar mörk energis effekter. Även om det är en rimlig förklaring på vissa nivåer, fysiker beräknar att dessa partiklar skulle skapa så mycket frånstötande kraft att det omedelbart skulle spränga isär universum. Så hur kan de förena observationer med den virtuella partikelidén?

"En möjlighet är att rymdtidens grundläggande struktur bara svarar på virtuella partiklar som är mer än några mikrometer från varandra, "Sa Taylor, "och det är bara den typ av separation vi kan utforska med denna ring av kalla atomer. Så om det visar sig kan du ignorera effekten av partiklar som verkar över dessa korta längder, du kan stå för mycket av denna obemärkta frånstötande energi. Det skulle finnas där, det skulle bara inte påverka någonting i kosmisk skala. "

Forskningen visas i tidskriften Fysiska granskningsbrev .