Att exakt mäta energitillstånden för enskilda atomer har varit en historisk utmaning för fysiker på grund av atomrecoil. När en atom interagerar med en foton "ryggar" atomen i motsatt riktning, vilket gör det svårt att mäta atomens position och rörelsemängd exakt. Denna rekyl kan ha stora konsekvenser för kvantavkänning, som upptäcker små förändringar i parametrar, till exempel genom att använda förändringar i gravitationsvågor för att bestämma jordens form eller till och med detektera mörk materia.
I en ny artikel publicerad i Science , JILA och NIST-stipendiater Ana Maria Rey och James Thompson, JILA-stipendiat Murray Holland, och deras team föreslog ett sätt att övervinna denna atomrecoil genom att demonstrera en ny typ av atomär interaktion som kallas momentum-utbytesinteraktion, där atomer utbytte sina momentum genom att utbyta motsvarande fotoner.
Med hjälp av ett hålrum - ett slutet utrymme som består av speglar - observerade forskarna att atomrekylen dämpades av atomer som utbytte energitillstånd inom det begränsade utrymmet. Denna process skapade en kollektiv absorption av energi och spred rekylen bland hela populationen av partiklar.
Med dessa resultat kan andra forskare designa kaviteter för att dämpa rekyl och andra yttre effekter i en lång rad experiment, vilket kan hjälpa fysiker att bättre förstå komplexa system eller upptäcka nya aspekter av kvantfysik. En förbättrad kavitetsdesign skulle också kunna möjliggöra mer exakta simuleringar av supraledning, till exempel i fallet med Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) crossover eller fysiska högenergisystem.
För första gången observerades momentum-utbytesinteraktionen inducera en-axel vridningsdynamik (OAT), en aspekt av kvantintrassling, mellan atomära momentumtillstånd. OAT fungerar som en kvantfläta för att trassla in olika molekyler, eftersom varje kvanttillstånd blir vridet och kopplat till en annan partikel.
Tidigare sågs OAT bara i atomära interna tillstånd, men nu, med dessa nya resultat, tror man att OAT inducerad av momentumutbyte kan hjälpa till att minska kvantbrus från flera atomer. Att kunna trassla in momentumtillstånd kan också leda till förbättring av vissa fysiska mätningar med kvantsensorer, såsom gravitationsvågor.
Inom denna nya studie, inspirerad av tidigare forskning från Thompson och hans team, undersökte forskarna effekterna av kvantöverlagring, vilket gör att partiklar som fotoner eller elektroner kan existera i flera kvanttillstånd samtidigt.
"I detta [nya] projekt delar atomerna alla samma spinnetikett; den enda skillnaden är att varje atom är i en superposition mellan två momentumtillstånd", förklarade doktorand och första författare Chengyi Luo.
Forskarna fann att de bättre kunde kontrollera atomrekylen genom att tvinga atomerna att utbyta fotoner och deras associerade energier. I likhet med ett spel med dodgeball kan en atom "kasta" en "dodgeball" (en foton) och rekylera i motsatt riktning. Den där "dodgeball" kan fångas av en andra atom, vilket kan orsaka samma mängd rekyl för denna andra atom. Detta tar bort de två rekylerna som båda atomerna upplever och ger ett genomsnitt av dem för hela kavitetssystemet.
När två atomer byter ut sina olika fotonenergier, bildar det resulterande vågpaketet (en atoms vågfördelning) i superposition en momentumgraf som kallas ett densitetsgitter, som ser ut som en fintandad kam.
Luo tillade, "Bildandet av densitetsgittret indikerar att två momentumtillstånd [inom atomen] är 'koherenta' med varandra så att de kan störa [med varandra]." Forskarna fann att utbytet av fotoner mellan atomer orsakade en bindning av de två atomernas vågpaket, så de var inte längre separata mätningar.
Forskarna kunde inducera momentumutbyte genom att utforska samspelet mellan densitetsgittret och den optiska kaviteten. Eftersom atomerna utbytte energi spreds all rekyl från att absorbera en foton bland hela gemenskapen av atomer istället för enskilda partiklar.
Med denna nya kontrollmetod fann forskarna att de också kunde använda detta rekyldämpande system för att lindra ett separat mätproblem:Dopplerskiftet.
Dopplerskiftet, ett fenomen inom klassisk fysik, förklarar varför ljudet från en siren eller tåghorn ändrar tonhöjd när det passerar en lyssnare eller varför vissa stjärnor visas röda eller blå på natthimlens bilder – det är förändringen i vågens frekvens som källan och observatören rör sig mot (eller bort från) varandra. Inom kvantfysiken beskriver dopplerskiftet en partikels energiförändring på grund av relativ rörelse.
För forskare som Luo kan Dopplerskiftet vara en utmaning att övervinna för att få en exakt mätning. "När fotoner absorberas kommer atomrekylen att leda till en dopplerförskjutning av fotonens frekvens, vilket är ett stort problem när man pratar om precisionsspektroskopi", utvecklade han. Genom att simulera sin nya metod fann forskarna att den kunde övervinna mätskevningar på grund av Doppler Shift.
Forskarna fann också att momentumutbytet mellan dessa atomer kunde användas som en typ av kvantintrassling. Som John Wilson, en doktorand i Holland-gruppen, sa:"När en atom faller, vickar dess rörelse på kavitetens frekvens. Det uppmuntrar i sin tur andra atomer att kollektivt känna den återkopplingsmekanismen och knuffar dem att korrelera sin rörelse genom delade wobblingar."
För att testa denna "förveckling" ytterligare skapade forskarna en större separation mellan atomernas momentumtillstånd och inducerade sedan momentumutbytet. Forskarna fann att atomerna fortsatte att bete sig som om de var sammankopplade. "Detta indikerar att de två momentumtillstånden verkligen oscillerar i förhållande till varandra som om de var förbundna med en fjäder," tillade Luo.
När vi blickar framåt planerar forskarna att undersöka denna nya form av kvantintrassling ytterligare i hopp om att bättre förstå hur den kan användas för att förbättra olika typer av kvantenheter.
Mer information: Chengyi Luo et al, Momentum-utbytesinteraktioner i en Bragg-atominterferometer undertrycker doppleravfasning, Science (2024). DOI:10.1126/science.adi1393. www.science.org/doi/10.1126/science.adi1393
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av JILA
