Kvantfysik kräver avkänningstekniker med hög precision för att fördjupa sig djupare i materialens mikroskopiska egenskaper. Från de analoga kvantprocessorer som har dykt upp nyligen har kvantgasmikroskop visat sig vara kraftfulla verktyg för att förstå kvantsystem på atomnivå. Dessa enheter producerar bilder av kvantgaser med mycket hög upplösning:De gör att enskilda atomer kan detekteras.
Nu förklarar ICFO-forskarna (Barcelona, Spanien) Sandra Buob, Jonatan Höschele, Dr Vasiliy Makhalov och Dr Antonio Rubio-Abadal, ledd av ICREA-professorn vid ICFO Leticia Tarruell, hur de byggde sitt eget kvantgasmikroskop, kallat QUIONE efter den grekiska snögudinnan. Gruppens kvantgasmikroskop är det enda i världen som avbildar enskilda atomer av strontiumkvantgaser, liksom det första i sitt slag i Spanien.
Teamets forskning publiceras i tidskriften PRX Quantum .
Utöver de slagkraftiga bilderna där enskilda atomer kan urskiljas, är målet med QUIONE kvantsimulering. Som Prof. Tarruell förklarar, "Kvantsimulering kan användas för att koka ner mycket komplicerade system till enklare modeller för att förstå de öppna frågor som nuvarande datorer inte kan svara på, som varför vissa material leder elektricitet utan några förluster även vid relativt höga temperaturer."
Det unika med detta experiment ligger i det faktum att teamet har lyckats föra strontiumgasen till kvantregimen, placera den i ett optiskt gitter där atomerna kan interagera genom kollisioner, och sedan tillämpa enatoms avbildningstekniker. Dessa tre ingredienser gör sammantaget ICFO:s strontium kvantgasmikroskop unikt.
Fram till nu har dessa mikroskopuppsättningar förlitat sig på alkaliska atomer, som litium och kalium, som har enklare egenskaper när det gäller deras optiska spektrum jämfört med jordalkaliatomer som strontium. Det betyder att strontium erbjuder fler ingredienser att leka med i dessa experiment.
De senaste åren har de unika egenskaperna hos strontium faktiskt gjort det till ett mycket populärt element för tillämpningar inom områdena kvantberäkning och kvantsimulering. Till exempel kan ett moln av strontiumatomer användas som en atomär kvantprocessor, vilket skulle kunna lösa problem utöver dagens klassiska datorers kapacitet.
Sammantaget såg ICFO-forskare stor potential för kvantsimulering i strontium, och de började bygga ett eget kvantgasmikroskop. Så här föddes QUIONE.
För detta ändamål sänkte teamet först temperaturen på strontiumgasen. Med hjälp av kraften från flera laserstrålar minskade de atomernas hastighet till en punkt där de förblev nästan orörliga, knappt i rörelse, deras temperatur minskade till nästan absolut noll på bara några millisekunder. Efter denna punkt styrde kvantmekanikens lagar deras beteende, och atomerna visade nya egenskaper som kvantöverlagring och intrassling.
Därefter aktiverade forskarna, med hjälp av speciella lasrar, det optiska gittret, som håller atomerna ordnade i ett rutnät längs rymden.
"Du kan föreställa dig det som en äggkartong, där de enskilda platserna faktiskt är där du lägger äggen. Men istället för ägg har vi atomer, och istället för en kartong har vi det optiska gittret", förklarar Buob, förstaförfattaren av artikeln.
Atomerna i äggkoppen interagerade med varandra och upplevde ibland kvanttunnel för att flytta från en plats till en annan. Denna kvantdynamik mellan atomer efterliknar elektroner i vissa material. Därför kan studiet av dessa system kasta ljus över det komplexa beteendet hos vissa material, vilket är nyckelidén med kvantsimulering.
Forskarna tog bilderna med sitt mikroskop så fort gasen och det optiska gittret var klara och kunde slutligen observera sin strontiumkvantgas atom för atom. Vid det här laget hade konstruktionen av QUIONE redan varit en framgång, men dess skapare ville få ut ännu mer av det.
Utöver bilderna tog de alltså videor av atomerna och kunde observera att även om atomerna borde förbli stilla under avbildningen, hoppade de ibland till en närliggande gitterplats. Fenomenet kvanttunneling kan förklara detta.
"Atomerna "hoppade" från en plats till en annan. Det var något väldigt vackert att se, eftersom vi bokstavligen bevittnade en direkt manifestation av deras inneboende kvantbeteende, säger Buob.
Slutligen använde forskargruppen sitt kvantgasmikroskop för att bekräfta att strontiumgasen var en superfluid, en kvantfas av materia som flödar utan viskositet.
"Vi stängde plötsligt av gitterlasern, så att atomerna kunde expandera i rymden och störa varandra. Detta genererade ett interferensmönster på grund av våg-partikeldualiteten hos atomerna i superfluiden. När vår utrustning fångade det, verifierade vi förekomsten av superfluiditet i provet", förklarar Dr. Rubio-Abadal.
"Det är ett mycket spännande ögonblick för kvantsimulering", säger prof. Tarruell. "Nu när vi har lagt till strontium till listan över tillgängliga kvantgasmikroskop kanske vi snart kan simulera mer komplexa och exotiska material. Sedan förväntas nya faser av materia uppstå. Och vi förväntar oss också att få mycket mer beräkningsmässigt makt att använda dessa maskiner som analoga kvantdatorer."
Mer information: Sandra Buob et al, A Strontium Quantum-Gas Microscope, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.020316
Journalinformation: PRX Quantum
Tillhandahålls av ICFO
