Exotisk fysik kan hända när kvantpartiklar kommer ihop och pratar med varandra. Att förstå sådana processer är utmanande för forskare, eftersom partikelinteraktionerna kan vara svåra att skymta och ännu svårare att kontrollera. Dessutom, moderna datorsimuleringar kämpar för att förstå all den invecklade dynamiken som pågår i en stor grupp partiklar. Lyckligtvis, atomer som kyls till nära noll temperaturer kan ge insikt i detta problem.

Lasrar kan få kalla atomer att efterlikna fysiken som ses i andra system - en metod som är välkänd terräng för atomfysiker. De använder regelbundet skärande laserstrålar för att fånga atomer i ett landskap av böljande kullar och dalar som kallas ett optiskt gitter. Atomer, när den svalnat, inte har tillräckligt med energi för att gå uppför backarna, och de fastnar i dalarna. I denna miljö, atomerna beter sig på samma sätt som elektronerna i kristallstrukturen i många fasta ämnen, så detta tillvägagångssätt ger ett enkelt sätt att lära sig om interaktioner i verkliga material.

Men det konventionella sättet att göra optiska galler har vissa begränsningar. Laserljusets våglängd bestämmer platsen för kullarna och dalarna, och så kan avståndet mellan angränsande dalar - och med avståndet mellan atomer - bara krympa till hälften av ljusets våglängd. Att föra atomer närmare än denna gräns kan aktivera mycket starkare interaktioner mellan dem och avslöja effekter som annars förblir i mörkret.

Nu, ett team av forskare från Joint Quantum Institute (JQI), i samarbete med forskare från Institute for Quantum Optics and Quantum Information i Innsbruck, Österrike, har kringgått våglängdsgränsen genom att utnyttja atomernas inneboende kvantfunktioner, vilket borde göra det möjligt för grannar från atomgaller att komma närmare än någonsin tidigare. Den nya tekniken lyckas pressa in de mjuka gitterkullarna i branta väggar åtskilda av endast en femtedel av laserns våglängd-25 gånger smalare än möjligt med konventionella metoder. Arbetet, som bygger på två tidigare teoretiska förslag, publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev .

I de flesta optiska gitter, atomer ordnas genom att upprepa mjuka nedgångar i laserljusets intensitet-en mekanism som också fungerar med icke-kvantobjekt som bakterier eller till och med glaspärlor. Men detta ignorerar många inneboende kvantegenskaper hos atomerna. Till skillnad från glaspärlor, atomer, med laserljus i vissa färger, internt kan växla mellan olika kvantversioner av sig själva, kallade stater. Teamet utnyttjar den här egenskapen för att bygga galler som effektivt ersätter de böljande kullarna med taggiga funktioner.

"Tricket är att vi inte förlitar oss på ljusets intensitet i sig, "förklarar Yang Wang, en postdoktor vid JQI och huvudförfattare till uppsatsen. "Istället, vi använder ljus som ett verktyg för att underlätta en kvantmekanisk effekt. Och det skapar den nya typen av landskap för atomerna. "

För att skapa detta gitter, forskarna låser atomerna i ett tvåtonat ljusmönster. Varje färg väljs så att den kan ändra en atoms inre tillstånd på egen hand, men när de två färgerna överlappar varandra, den mer intensiva färgen på varje plats tar över och bestämmer vilket inre tillstånd atomen landar i. Men detta mönster är inte smidigt - det finns stora dalar där atomen föredrar ett tillstånd, avbruten av tunna remsor där den ska växla. Kvantmekanikens regler dikterar att varje gång en atom ändrar sitt tillstånd, atomen måste betala ett pris i form av energi, precis som att klättra på en kulle. Medan en smidig övergång kan se ut som en söndagspromenad till atomen, stora förändringar över kortare sträckor utvecklas snabbt till en allt mer brant vandring. I experimentet, de tunna remsorna inuti det ljusa mönstret är så smala, att de ser ut som oöverstigliga väggar för atomen, så det undviker dem och fastnar emellan.

Dessa vassa väggar är ett viktigt första steg i jakten på att föra atomer ännu närmare. Den nya tekniken ger fortfarande gott om plats för atomer att resa inom det breda, platta slätter, men forskare planerar att minska denna frihet genom att lägga till fler hinder. "När vi vidtar åtgärder för att begränsa atomerna allt mer, kvanteffekter mellan atomerna bör bli allt viktigare, "säger Trey Porto, en JQI -stipendiat och författare till tidningen. "Detta har en praktisk bieffekt, eftersom det också ökar temperaturen som vi behöver för att se konstigt kvantbeteende. Kylning är ganska svårt, så detta skulle göra den fysik som vi är ute efter lättare att nå. "

Forskargruppen säger att detta verktyg också kan vara användbart för framtida kvantkemiska experiment, tillåter forskare att föra atomer tillräckligt nära för att engagera sig i småskaliga, högkontrollerad reaktion.