Med hjälp av ett Bose-Einstein-kondensat bestående av miljontals natriumatomer, forskare vid Georgia Institute of Technology har observerat en skarp magnetiskt inducerad kvantfasövergång där de förväntar sig att hitta intrasslade atompar. Arbetet flyttar forskare närmare ett svårfångat sammanflätat tillstånd som skulle ha potentiella avkännings- och beräkningstillämpningar bortom dess grundläggande vetenskapliga intressen.

Användningen av intrasslade atomer från ett kondensat kan förbättra känsligheten och minska bullret vid avkänning av mycket små förändringar i fysiska egenskaper som magnetfält eller rotation. Och det kan också ge en grund för kvantdatorer som kan utföra vissa beräkningar mycket snabbare än konventionella digitala datorer.

Sponsrad av National Science Foundation, forskningen rapporterades 23 januari som en snabb kommunikation i tidningen Fysisk granskning A .

"Vi har definierat ett fönster där vi förväntar oss att kunna se intrassling, "sa Chandra Raman, docent vid Georgia Tech School of Physics. "Vi vet nu var vi ska leta efter det, och vi vet hur vi ska leta efter det. "

Raman och tidigare doktorand Anshuman Vinit har studerat Bose-Einstein-kondensat (BEC) som en källa till intrassling, försöker utnyttja systemets kvantrenhet för att skapa förhållanden där korrelation mellan atomer kan uppstå. BEC innehåller normalt inte intrasslade atomer.

"Vi hittade sätt att konstruera systemet för att skapa intrassling, "Förklarade Raman." Vi tittade på systemets beteende när vi justerade magnetfältet mycket nära fasgränsen och visade att gränsen hade en mycket skarpt definierad punkt. Vi kunde lösa den gränsen med en osäkerhetsnivå som vi inte trodde att vi kunde få förrän vi gjorde experimentet. "

Teoretiska förutsägelser har antytt att vid gränsen mellan olika magnetiska faser av ett spinor-Bose-Einstein-kondensat, forskare skulle hitta ett intrasslat kvanttillstånd för alla atomer. I spinorn kondenserar Bose-Einstein, de enskilda magnetmomenten behöver inte ha en väldefinierad orientering i rymden, men hellre, kan existera i en superposition av olika inriktningar.

I deras experiment, forskarna identifierade två faser:antiferromagnetisk och polär. I den polära fasen, atomerna riktar alla sina stunder vertikalt, i den antiferromagnetiska fasen, de är horisontellt inriktade. I en BEC exakt vid gränsen mellan dessa faser, teoretiker hade förutspått förekomsten av en kvantmekanisk överlagring av alla möjliga inriktningar, ett intrasslat tillstånd.

Forskarna har ännu inte observerat det intrasslade tillståndet än, men deras arbete har hittills definierat ett experimentellt fönster för att leta efter nya fysiska effekter som styr olika magnetiska faser, eller att generera intrasslade tillstånd som är relevanta för kvantbaserade system.

Tidigare forskning i Ramans laboratorium hade producerat de två faserna, men gränsen mellan dem "smetades ut" av magnetfältinhomogeniteter. Genom att jämna ut magnetfältet så att det blev mer enhetligt, forskarna kunde eliminera variationerna för att skapa en skarp gräns mellan faserna.

I det snävt definierade övergångsområdet som identifierats i forskningen, atomer slits mellan de två faserna, orsakar intrasslade par att bildas, Sa Raman. Staten kan vara tillräckligt stabil för att hitta praktiska tillämpningar, även om forskare inte vet säkert förrän de faktiskt kan observera och mäta egenskaperna.

Forskarna mätte gränsen i sitt system genom att "hoppa" magnetfältet från en del av BEC till en annan. Flytten skapade en dynamisk instabilitet i atomsystemet; ju större instabilitet, ju kortare tid systemet behövde för att återgå till jämvikt, som förutspås av kvantteori.

Forskarna tror nu att de har skapat scenen för att observera intrassling i en mindre grupp av atomer, kanske inte mer än tusen.

"Med vår nuvarande känslighet, vi tror att vi skulle kunna observera dessa spin-korrelerade tillstånd med ett rimligt antal partiklar, "Sade Raman." Vi tror att det är experimentellt genomförbart, och eftersom vi kan mäta gränsen med precision, vi kan börja testa teorierna om beteende i denna regim. "

När det visas, den stora ensemblen av atomer kan delas upp i många mindre grupper som arbetar oberoende, var och en med fasgränser som innehåller intrasslade atomer.

Även om Raman tycker att den grundläggande vetenskapen och kvantberäkningen är intressanta, han är lika upphetsad över potentiella sensingapplikationer.

"Om du kunde minska ljudnivån genom smart användning av kvantmekaniska superpositioner, du kan inse sensorer som är mer exakta och kan upptäcka mindre effekter, "sa han." Vid kvantavkänning kan du använda intrassling för att öka mätningens precision till nivåer som, i klassiska sensorsystem, skulle ha en högre ljudnivå. "

I klassiska oscillerande system som myntkast, varje flip är ett oberoende system och har en viss ljudnivå. Men på grund av sambandet, atomparen skulle inte längre vara oberoende system.

"I ett vanligt klassiskt system, det finns en viss mängd brus som har att göra med att du gör mätningar på oberoende system, "sa han." I kvantsystem, det är möjligt att undertrycka det bullret om atomerna är korrelerade. Det är som om mynten pratade med varandra. "

Kvantsensorer kan därför kunna upptäcka förändringar i rotation eller magnetiska variationer som är för små för dagens sensorer. Andra tillämpningar kan hittas vid spektroskopisk mätning, Sa Raman.