Närhet är nyckeln för många kvantfenomen, eftersom interaktioner mellan atomer är starkare när partiklarna är nära. I många kvantsimulatorer arrangerar forskare atomer så nära varandra som möjligt för att utforska exotiska tillstånd av materia och bygga nya kvantmaterial.
De gör vanligtvis detta genom att kyla atomerna till stillastående och sedan använda laserljus för att placera partiklarna så nära som 500 nanometer från varandra - en gräns som sätts av ljusets våglängd. Nu har MIT-fysiker utvecklat en teknik som gör att de kan ordna atomer mycket närmare, ner till bara 50 nanometer. För sammanhanget är en röd blodkropp cirka 1 000 nanometer bred.
Fysikerna har visat det nya tillvägagångssättet i experiment med dysprosium, som är den mest magnetiska atomen i naturen. De använde den nya metoden för att manipulera två lager av dysprosiumatomer och placerade lagren exakt 50 nanometer från varandra. Vid denna extrema närhet var de magnetiska interaktionerna 1 000 gånger starkare än om skikten var åtskilda med 500 nanometer.
En artikel som beskriver detta arbete publiceras i tidskriften Science .
Forskarna kunde mäta två nya effekter orsakade av atomernas närhet. Deras förstärkta magnetiska krafter orsakade "termalisering" eller överföring av värme från ett lager till ett annat, såväl som synkroniserade svängningar mellan lagren. Dessa effekter försvann när lagren placerades längre ifrån varandra.
"Vi har gått från att placera atomer från 500 nanometer till 50 nanometer från varandra, och det finns mycket du kan göra med detta", säger Wolfgang Ketterle, professor i fysik vid John D. MacArthur vid MIT. "Vid 50 nanometer är atomernas beteende så mycket annorlunda att vi verkligen går in i en ny regim här."
Ketterle och hans kollegor säger att den nya metoden kan tillämpas på många andra atomer för att studera kvantfenomen. Gruppen planerar för sin del att använda tekniken för att manipulera atomer till konfigurationer som skulle kunna generera den första rent magnetiska kvantporten – en viktig byggsten för en ny typ av kvantdator.
Studiens medförfattare inkluderar huvudförfattaren och doktoranden i fysik Li Du, tillsammans med Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond och Yu-Kun Lu – alla medlemmar av MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, Institutionen för fysik, och Research Laboratory of Electronics vid MIT.
Toppar och dalar
För att manipulera och ordna atomer kyler fysiker vanligtvis först ett moln av atomer till temperaturer som närmar sig absolut noll, och använder sedan ett system av laserstrålar för att korralera atomerna till en optisk fälla.
Laserljus är en elektromagnetisk våg med en specifik våglängd (avståndet mellan det elektriska fältets maxima) och frekvens. Våglängden begränsar det minsta mönstret som ljus kan formas till till typiskt 500 nanometer, den så kallade optiska upplösningsgränsen. Eftersom atomer attraheras av laserljus med vissa frekvenser, kommer atomer att placeras vid punkterna med laserintensitetens topp. Av denna anledning har befintliga tekniker begränsats i hur nära de kan placera atompartiklar och kunde inte användas för att utforska fenomen som inträffar på mycket kortare avstånd.
"Konventionella tekniker stannar vid 500 nanometer, begränsat inte av atomerna utan av ljusets våglängd," förklarar Ketterle. "Nu har vi hittat ett nytt knep med ljus där vi kan bryta den gränsen."
Teamets nya tillvägagångssätt, liksom nuvarande tekniker, börjar med att kyla ett moln av atomer – i det här fallet till cirka 1 mikrokelvin, bara ett hårstrå över absolut noll – vid vilken tidpunkt atomerna nästan stannar. Fysiker kan sedan använda lasrar för att flytta de frusna partiklarna till önskade konfigurationer.
Sedan arbetade Du och hans medarbetare med två laserstrålar, var och en med olika frekvens eller färg; och cirkulär polarisation eller riktning av laserns elektriska fält. När de två strålarna färdas genom ett superkylt moln av atomer, kan atomerna orientera sin spin i motsatta riktningar, efter någon av de två lasrarnas polarisering. Resultatet är att strålarna producerar två grupper av samma atomer, bara med motsatta snurr.
Varje laserstråle bildade en stående våg, ett periodiskt mönster av elektrisk fältintensitet med en rumsperiod på 500 nanometer. På grund av deras olika polarisationer, lockade varje stående våg en av två grupper av atomer, beroende på deras spinn. Lasrarna skulle kunna läggas över och trimmas så att avståndet mellan deras respektive toppar är så litet som 50 nanometer, vilket innebär att atomerna som graviterar till respektive lasers toppar skulle separeras med samma 50 nanometer.
Men för att detta ska hända måste lasrarna vara extremt stabila och immuna mot allt externt brus, till exempel från skakning eller till och med andning under experimentet. Teamet insåg att de kunde stabilisera båda lasrarna genom att rikta dem genom en optisk fiber, som tjänade till att låsa ljusstrålarna på plats i förhållande till varandra.
"Idén att skicka båda strålarna genom den optiska fibern innebar att hela maskinen kunde skaka våldsamt, men de två laserstrålarna förblev absolut stabila i förhållande till varandra", säger Du.
Magnetiska krafter på nära håll
Som ett första test av sin nya teknik använde teamet atomer av dysprosium - en sällsynt jordartsmetall som är ett av de starkaste magnetiska elementen i det periodiska systemet, särskilt vid ultrakalla temperaturer. Men på atomernas skala är grundämnets magnetiska interaktioner relativt svaga på avstånd på till och med 500 nanometer.
Liksom med vanliga kylskåpsmagneter ökar den magnetiska attraktionen mellan atomer med närhet, och forskarna misstänkte att om deras nya teknik kunde rymma dysprosiumatomer så nära som 50 nanometer från varandra, skulle de kunna observera uppkomsten av annars svaga interaktioner mellan de magnetiska atomerna.
"Vi kunde plötsligt ha magnetiska interaktioner, som tidigare var nästan försumbara men nu är riktigt starka", säger Ketterle.
Teamet tillämpade sin teknik på dysprosium, först superkyla atomerna, sedan passerade två lasrar igenom för att dela atomerna i två spinngrupper eller lager. De riktade sedan lasrarna genom en optisk fiber för att stabilisera dem, och fann att de två skikten av dysprosiumatomer verkligen graviterade till sina respektive lasertoppar, vilket i själva verket separerade atomskikten med 50 nanometer - det närmaste avståndet som någon ultrakall atom experimentet har kunnat uppnå.
Vid denna extremt nära närhet förbättrades atomernas naturliga magnetiska interaktioner avsevärt och var 1 000 gånger starkare än om de var placerade 500 nanometer från varandra. Teamet observerade att dessa interaktioner resulterade i två nya kvantfenomen:kollektiv oscillation, där det ena lagrets vibrationer fick det andra lagret att vibrera synkront; och termalisering, där ett lager överförde värme till det andra, rent genom magnetiska fluktuationer i atomerna.
"Hittills har värme mellan atomer endast kunnat bytas ut när de befann sig i samma fysiska utrymme och kunde kollidera", konstaterar Du. "Nu har vi sett atomlager, separerade av vakuum, och de utbyter värme via fluktuerande magnetfält."
Teamets resultat introducerar en ny teknik som kan användas för att placera många typer av atomer i närheten. De visar också att atomer, placerade tillräckligt nära varandra, kan uppvisa intressanta kvantfenomen, som skulle kunna utnyttjas för att bygga nya kvantmaterial, och potentiellt magnetiskt drivna atomsystem för kvantdatorer.
"Vi tar verkligen superupplösningsmetoder till fältet, och det kommer att bli ett allmänt verktyg för att göra kvantsimuleringar", säger Ketterle. "Det finns många möjliga varianter som vi jobbar på."
Mer information: Li Du et al, Atomfysik på 50-nm skala:Realisering av ett dubbelskiktssystem av dipolära atomer, Vetenskap (2024). DOI:10.1126/science.adh3023. www.science.org/doi/10.1126/science.adh3023
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
