نزدیکی برای بسیاری از پدیده‌های کوانتومی کلیدی است زیرا برهمکنش‌های بین اتم‌ها زمانی که ذرات نزدیک هستند قوی‌تر است. در بسیاری از شبیه‌سازهای کوانتومی، دانشمندان اتم‌ها را تا حد امکان نزدیک به هم مرتب می‌کنند تا حالت‌های عجیب و غریب ماده را کشف کنند و مواد کوانتومی جدیدی ایجاد کنند.
آنها معمولاً این کار را با خنک کردن اتم ها برای استراحت انجام می دهند، سپس با استفاده از نور لیزر ذرات را در فاصله 500 نانومتری از یکدیگر قرار می دهند – حدی که با طول موج نور تعیین می شود. اکنون فیزیکدانان MIT تکنیکی را توسعه داده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد اتم‌ها را بسیار نزدیک‌تر به هم مرتب کنند، تا فاصله ۵۰ نانومتری. برای بافت، گلبول های قرمز حدود 1000 نانومتر عرض دارند.
فیزیکدانان رویکرد جدید را در آزمایش‌هایی با دیسپروزیم، مغناطیسی‌ترین اتم در طبیعت نشان دادند. آنها از روش جدید برای دستکاری دو لایه اتم دیسپروزیم استفاده کردند و لایه ها را دقیقاً 50 نانومتر از هم دور کردند. در این نزدیکی شدید، برهمکنش های مغناطیسی 1000 برابر قوی تر از زمانی بود که لایه ها با فاصله 500 نانومتری از هم جدا شوند.
علاوه بر این، دانشمندان توانستند دو اثر جدید ناشی از نزدیکی اتم ها را اندازه گیری کنند. نیروهای مغناطیسی افزایش یافته آنها باعث “گرما شدن” یا انتقال حرارت از یک لایه به لایه دیگر و همچنین نوسانات هماهنگ بین لایه ها می شود. این اثرات زمانی که لایه ها از هم فاصله گرفتند ناپدید شدند.
ولفگانگ کترل، استاد فیزیک جان دی. مک آرتور در MIT می گوید: «ما از موقعیت یابی اتم ها با فاصله 500 نانومتری به 50 نانومتر رسیده ایم، و کارهای زیادی می توانید با آن انجام دهید. در 50 نانومتر، رفتار اتم‌ها آنقدر متفاوت است که ما واقعاً در اینجا وارد یک رژیم جدید می‌شویم.»
کترل و همکارانش می گویند رویکرد جدید را می توان برای بسیاری از اتم های دیگر برای مطالعه پدیده های کوانتومی به کار برد. به نوبه خود، این گروه قصد دارد از این تکنیک برای دستکاری اتم ها در پیکربندی هایی استفاده کند که می تواند اولین دروازه کوانتومی صرفا مغناطیسی را ایجاد کند – یک بلوک اصلی برای نوع جدیدی از کامپیوترهای کوانتومی.
تیم دارد امروز نتایج خود را منتشر کرد در دفتر خاطرات علوم پایه. نویسندگان مشترک این مطالعه شامل نویسنده اصلی و دانشجوی فارغ التحصیل فیزیک، لی دو، به همراه پیر بارال، مایکل کانتارا، جولیوس دی هوند، و یو-کان لو هستند – همه اعضای مرکز MIT- هاروارد برای اتم های فوق سرد، دپارتمان فیزیک. و آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک در MIT.
قله ها و دره ها
برای دستکاری و مرتب کردن اتم‌ها، فیزیکدانان معمولاً ابتدا ابری از اتم‌ها را تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد می‌کنند، سپس از سیستمی از پرتوهای لیزر برای به دام انداختن اتم‌ها در یک تله نوری استفاده می‌کنند.
نور لیزر یک موج الکترومغناطیسی با طول موج مشخص (فاصله بین حداکثر میدان الکتریکی) و فرکانس است. طول موج کوچکترین الگوی را که در آن می توان نور را شکل داد تا معمولاً 500 نانومتر محدود می کند که اصطلاحاً حد تفکیک نوری نامیده می شود. از آنجایی که اتم ها توسط نور لیزر فرکانس های خاصی جذب می شوند، اتم ها در نقاط اوج شدت لیزر قرار می گیرند. به همین دلیل، تکنیک‌های موجود در نزدیکی قرار دادن ذرات اتمی محدود هستند و نمی‌توان از آنها برای مطالعه پدیده‌هایی که در فواصل بسیار کوتاه‌تر رخ می‌دهند استفاده کرد.
Ketterle توضیح می‌دهد: «تکنیک‌های مرسوم در 500 نانومتر متوقف می‌شوند که نه توسط اتم‌ها، بلکه توسط طول موج نور محدود می‌شود». اکنون ما یک ترفند جدید با نور کشف کرده‌ایم که می‌توانیم بر آن محدودیت غلبه کنیم.»
رویکرد جدید این تیم، مانند تکنیک‌های فعلی، با سرد کردن ابری از اتم‌ها – در این مورد تا حدود 1 میکروکلوین، فقط یک تار مو بالاتر از صفر مطلق – آغاز می‌شود که در آن نقطه اتم‌ها تقریباً متوقف می‌شوند. سپس فیزیکدانان می توانند از لیزر برای انتقال ذرات یخ زده به پیکربندی های دلخواه استفاده کنند.
دو و همکارانش سپس با دو پرتو لیزر کار کردند که هر کدام فرکانس یا رنگ و قطبش دایره ای یا جهت میدان الکتریکی لیزر متفاوت بود. هنگامی که دو پرتو از میان ابری از اتم‌های فوق‌خنک می‌گذرند، اتم‌ها می‌توانند به دنبال قطبش دو لیزر، اسپین خود را در جهت مخالف جهت دهند. نتیجه این است که پرتوها دو گروه از اتم های یکسان را درست با اسپین های مخالف تولید می کنند.
هر پرتو لیزر یک موج ایستاده را تشکیل می دهد، یک الگوی تناوبی از شدت میدان الکتریکی با دوره مکانی 500 نانومتر. هر موج ایستاده به دلیل قطبش های متفاوتشان، بسته به اسپینشان، یکی از دو گروه اتم را جذب کرده و به هم متصل می کند. لیزرها را می توان به گونه ای روی هم قرار داد و تنظیم کرد که فاصله بین قله های مربوطه آنها به کوچکی 50 نانومتر باشد، به این معنی که اتم هایی که به سمت هر قله لیزری مربوطه جذب می شوند با همان 50 نانومتر از هم جدا می شوند.
اما برای اینکه این اتفاق بیفتد، لیزرها باید به شدت پایدار بوده و در برابر هر گونه صدای خارجی، مانند لرزش یا حتی تنفس در طول آزمایش، مصون باشند. این تیم متوجه شد که می توانند هر دو لیزر را با هدایت آنها از طریق یک فیبر نوری که پرتوهای نور را در جای خود نسبت به یکدیگر قفل می کند، تثبیت کنند.
دو می‌گوید: «ایده ارسال دو پرتو از طریق فیبر نوری به این معنی بود که کل دستگاه می‌تواند به شدت تکان بخورد، اما دو پرتو لیزر نسبت به یکدیگر کاملاً ثابت ماندند.
نیروهای مغناطیسی در فاصله نزدیک
این تیم به عنوان اولین آزمایش تکنیک جدید خود، از اتم های دیسپروزیم، یک فلز خاکی کمیاب که یکی از قوی ترین عناصر مغناطیسی جدول تناوبی است، به ویژه در دماهای بسیار پایین استفاده کردند. با این حال، در مقیاس اتم ها، برهمکنش های مغناطیسی عنصر در فواصل حتی 500 نانومتری نسبتا ضعیف است. همانند آهنرباهای یخچالی معمولی، جاذبه مغناطیسی بین اتم ها با نزدیکی افزایش می یابد و دانشمندان گمان می کردند که اگر روش جدید آنها بتواند اتم های دیسپروزیم را در فاصله 50 نانومتری از یکدیگر قرار دهد، می توانند ظهور برهمکنش های ضعیف بین اتم های مغناطیسی را مشاهده کنند.
کترل می‌گوید: «ما می‌توانیم ناگهان فعل و انفعالات مغناطیسی داشته باشیم که قبلاً تقریباً ناچیز بودند، اما اکنون واقعاً قوی هستند.
این تیم تکنیک خود را با استفاده از دیسپروزیم در ابتدا اتم‌ها را فوق‌سرد کردند، سپس دو لیزر را از میان آنها اجرا کردند تا اتم‌ها را به دو گروه اسپین یا لایه تقسیم کنند. آنها سپس لیزرها را از طریق یک فیبر نوری هدایت کردند تا آنها را تثبیت کنند و دریافتند که در واقع دو لایه اتم دیسپروزیم به سمت قله های لیزری مربوطه خود جذب می شوند و به طور موثر لایه های اتم ها را 50 نانومتر از هم جدا می کنند – نزدیک ترین فاصله ای که هر آزمایش اتم فوق سرد موفق شده است. بدست آوردن.
با این نزدیکی بسیار نزدیک، فعل و انفعالات مغناطیسی طبیعی اتم ها به شدت افزایش یافت و 1000 برابر قوی تر از زمانی بود که آنها در فاصله 500 نانومتری از هم قرار داشتند. این تیم مشاهده کرد که این برهمکنش‌ها منجر به دو پدیده کوانتومی جدید شد: نوسان جمعی، که در آن ارتعاشات یک لایه باعث می‌شود لایه دیگر به طور همزمان ارتعاش کند. و ترمالیزاسیون، که در آن یک لایه گرما را صرفاً از طریق نوسانات مغناطیسی در اتم ها به لایه دیگر منتقل می کند.
دو می‌گوید: «تاکنون، گرما بین اتم‌ها تنها زمانی می‌توانستند که در یک فضای فیزیکی قرار داشته باشند و با هم برخورد کنند، مبادله شود». اکنون لایه‌های اتمی را دیده‌ایم که توسط خلاء از هم جدا شده‌اند و آنها گرما را از طریق میدان‌های مغناطیسی نوسانی مبادله می‌کنند.»
نتایج این تیم تکنیک جدیدی را معرفی می کند که می تواند برای قرار دادن بسیاری از انواع اتم ها در مجاورت نزدیک مورد استفاده قرار گیرد. آنها همچنین نشان می‌دهند که اتم‌هایی که به اندازه کافی نزدیک به هم قرار می‌گیرند می‌توانند پدیده‌های کوانتومی جالبی را نشان دهند که می‌تواند برای ساخت مواد کوانتومی جدید و به طور بالقوه، سیستم‌های اتمی مغناطیسی برای رایانه‌های کوانتومی استفاده شود.
Ketterle می‌گوید: «ما واقعاً روش‌های با وضوح فوق‌العاده را وارد میدان می‌کنیم و این به ابزاری رایج برای انجام شبیه‌سازی‌های کوانتومی تبدیل خواهد شد. گزینه های احتمالی زیادی وجود دارد که ما روی آنها کار می کنیم.
این تحقیق تا حدی توسط بنیاد ملی علوم و وزارت دفاع تامین شد.