两种色调的光模式为原子创造陡峭的量子墙。

两种色调的光模式为原子创造陡峭的量子墙。

当量子粒子聚集在一起相互交谈时,奇异的物理现象就会发生。理解这样的过程对科学家来说是具有挑战性的,因为粒子相互作用很难观察,更难控制。此外,现代计算机模拟努力理解在一大群粒子中发生的所有错综复杂的动态。幸运的是,冷却到零度以下的原子能提供对这个问题的洞察。

激光可以使冷原子模拟其他系统中所看到的物理,这是原子物理学家熟悉的地形。他们经常使用交叉激光束捕捉起伏起伏的丘陵和山谷中的原子,称为光晶格。原子冷却后,没有足够的能量在山上行走,它们会陷在山谷里。在这种环境下,原子的行为类似于许多固体晶体结构中的电子,因此这种方法提供了一种直观的方法来了解真实物质内部的相互作用。

但是传统的光晶格制造方法有一定的局限性。激光的波长决定了山丘和山谷的位置,所以相邻山谷之间的距离和原子间的距离只能缩小到光波波长的一半。使原子比这个极限更近可以激活它们之间更强的相互作用,并揭示在黑暗中保持的效果。

现在,一队从联合量子研究所的科学家(JOI)合作,在与来自于因斯布鲁克、奥地利的量子光学和量子信息研究所的研究人员,绕过波长的限制,利用原子固有的量子特性,它允许原子晶格的邻居变得比以前更接近。新技术能挤到温柔的格山陡峭的墙壁相隔只有五十分之一的激光wavelength-25倍比可能与传统的方法。这项工作基于两个先前的理论建议,最近发表在《物理评论快报》(链接是外部的)上。

在大多数光学晶格中,原子是由激光光机制,还与非量子物体如细菌或玻璃珠的强度重复光滑倾斜布置。但这忽略了原子固有的许多量子特性。与玻璃珠不同,原子由某些颜色的激光激发,可以在不同的量子版本之间进行内部转换,称为“态”。团队利用这种特性建立格,有效替代丘陵高低不平的特点。

“关键是,我们不依赖于光的强度本身,”王阳解释说,在联合量子研究所博士后研究员、该论文的第一作者。相反,我们用光作为一种工具来促进量子力学效应。这就为原子创造了一种新的景观。”

创建此格,研究人员使原子在两调光模式。每种颜色都被选中,这样它就可以自己改变一个原子的内部状态,但是当两种颜色重叠时,每个点上更强烈的颜色就占了主导地位,决定了原子的哪一个内部状态。但是这种模式并不平滑,有巨大的山谷,原子喜欢一个状态,它被薄条打断,在那里它应该开关。量子力学的规则规定,每当原子改变其状态时,原子必须以能量的形式付出代价,就像爬山一样。虽然平稳过渡可能出现在星期日漫步到原子,大变化在较短的距离迅速演变成一个越来越陡峭的远足。在实验中,光图案内部的薄条很窄,看起来像是不可逾越的壁,所以它避开了它们,陷在中间。

这些锐利的墙壁是使原子更接近的重要的第一步。这项新技术仍然为原子在广阔平坦的平原上旅行提供了足够的空间,但研究人员计划通过增加更多的障碍来减少这种自由。“当我们采取措施限制进一步的原子,原子之间的量子效应变得越来越重要,”Trey Porto说,一个联合量子研究所研究员、文章的作者。“这有一个实际的副作用,因为它也增加了我们需要看到奇怪的量子行为的温度。冷却是相当困难的,所以这将使我们所追求的物理更容易达到。

研究小组说,这个工具也可能对未来的量子化学实验有用,允许科学家把原子足够靠近,进行小范围、高度控制的反应。

Nina Beier写的

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