Ett internationellt team av fysiker från Mandelstam Institute for Theoretical Physics vid Wits University och Institut Néel i Grenoble, Frankrike, har skapat en liten supraledande krets som efterliknar den kvantmekaniska processen där en atom absorberar eller avger ljus.

Deras verk publicerades nyligen Kvantinformation , och lyftes fram i en redaktionell artikel i samma tidskrift. Det som gör deras enhet unik är att de uppnår en artificiell ljus-materia-interaktion som är en storleksordning större än i världen i stort.

Teamet leddes av Nicholas Roch från Institut Néel vid Centre National de la Researche Scientifique i Frankrike. Experimenten utfördes av Ph.D. eleverna Javier Martínez och Sébastien Léger.

"Fördelen med konstgjorda anordningar som våra är att de lätt kan justeras. På så sätt kan de fås att efterlikna andra kända starkt interagerande system, " säger Dr. Izak Snyman, från Wits University, som spelade en framträdande roll i den teoretiska modelleringen av enheten och i analys och tolkning av experimentella data.

"En spännande applikation är att använda vår enhet för att simulera kvantfenomen som händer inuti en metallklump, där det inte är möjligt att observera vad som händer så nära som i vårt konstgjorda system."

Teamet uppnådde sin förbättring av interaktionen med lätt materia genom att bädda in sin konstgjorda atom i en noggrant mönstrad uppsättning identiska små supraledare, var och en cirka 1000 nanometer i storlek (1000 av en millimeter). Till ljuset som sänds ut eller absorberas av den konstgjorda atomen, det här ser ut som en kristall, vilket drastiskt sänker hastigheten med vilken ljuset färdas. Som ett resultat, det finns mer tid för en ljuspuls att interagera med den konstgjorda atomen, och en starkare interaktion resulterar.

För att bestämma styrkan av interaktionen med lätt materia, laget studerade hastigheten med vilken deras atom sänder ut ljus. De jämförde detta med den hastighet med vilken "elektronen" i deras artificiella atom kretsar. Där en elektron i en normal väteatom kretsar omkring 10 miljoner gånger innan den sönderfaller och avger ett paket ljus, forskarna lyckades få den konstgjorda atomen att sönderfalla och avge ett paket ljus efter bara 10 svängningar.

"Detta visar en förvånansvärt stark interaktion mellan ljuset och atomen, " säger Snyman. "I tidigare enheter där denna bedrift uppnåddes, miljön genom vilken ljuset var tvungen att färdas uppförde sig alltid på samma sätt som en stämgaffel för ljus, genom att starkt gynna en enda ljusfrekvens."

Genom att inte välja en viss frekvens (eller färg), miljön tillåter mycket rikare beteende att uppstå från ljus-materia-interaktionen än tidigare enheter. Vidare, medan för en given naturlig atom, man har fastnat i den interaktionsstyrka som naturen väljer, i den nya enheten kan den justeras för hand.

"Detta liknar att ha en app som låter en justera mängden elektrisk laddning som en proton eller elektron bär, snarare än att nöja sig med standardbeloppet som fastställts av naturen, säger Snyman.

Även om det inte nödvändigtvis finns verkliga applikationer för den här nya enheten, Snyman tror att det ger forskare en ny uppsättning verktyg för att utforska starkt interagerande kvantmekaniska system.

"Många obesvarade grundläggande frågor inom fysiken involverar starka interaktioner. Till exempel, hur binder kvarkar för att bilda protoner och neutroner? Enheter som våra kan ge ledtrådar till dessa pussel."