Bardzo zimne atomy zostały skłonione do samopowiększania swoich stanów kwantowych, dzięki czemu mogą być obrazowane w niezwykłych szczegółach. To może pomóc badaczom w lepszym zrozumieniu, co robią cząsteczki kwantowe w dziwnych materiałach, takich jak nadprzewodniki i superfluidy.
Generalnie bardzo trudno jest obrazować stany kwantowe atomów – czyli mapować kształty ich funkcji falowej – szczególnie gdy te atomy są ciasno upakowane w materiałach stałych i oddziałują ze sobą. Aby uzyskać wgląd w zachowanie kwantowe takich materiałów, badacze zwracają się do bardzo zimnych atomów, których własności kwantowe można kontrolować za pomocą laserów i promieni elektromagnetycznych, a które można zgromadzić w gęstych układach, które naśladują układ atomów w materiałach stałych.
Sandra Brandstetter z Uniwersytetu w Heidelbergu w Niemczech i jej koledzy opracowali teraz sposób powiększenia funkcji falowej takich ultrazimnych atomów 50-krotnie, aby ułatwić ich obrazowanie.
Zaczęli od około 30 atomów litu o temperaturze kilka milionowych stopnia powyżej zera bezwzględnego, czyli ostatecznego ograniczenia chłodności. Badacze użyli laserów, aby ograniczyć te atomy do jednej płaskiej płaszczyzny i kontrolować ich stany kwantowe, efektywnie trzymając je w pułapce wykonanej z światła. Następnie zespół zmienił właściwości tego światła, rozluźniając pułapkę w odpowiedni sposób, aby funkcje falowe atomów stały się większe, ale nie zmieniały kształtu – efektywnie powiększając je. Brandstetter mówi, że dostrojenie światła w ten sposób było podobne do wyrównywania soczewek powiększających w mikroskopie.
Po tym kroku zespół użył ugruntowanych metod detekcji atomów do obrazowania drobnych szczegółów funkcji falowych, które wcześniej było niemożliwe do analizy. „Gdybyśmy chcieli obrazować system bez wcześniejszego powiększania, zobaczylibyśmy tylko pojedynczy obszar, całkowicie pozbawiony możliwości rozpoznania jakiejkolwiek struktury” – mówi Brandstetter.
Ona i jej koledzy użyli tej techniki do analizy kilku układów atomów. Na przykład obrazowali parę atomów, które oddziałują ze sobą, tworząc w zasadzie cząsteczkę – ale dzięki powiększeniu zespół mógł rozpoznać każdy atom oddzielnie. Najbardziej skomplikowany system w nowym eksperymencie składał się z 12 oddziałujących atomów, z różnymi spinami kwantowymi, cechą decydującą o magnetycznym zachowaniu materiałów.
Jonathan Mortlock z Uniwersytetu w Durham w Wielkiej Brytanii mówi, że chociaż podobne techniki powiększania były testowane wcześniej, nowy eksperyment jako pierwszy wykorzystuje ten podejście, aby precyzyjnie określić zachowanie kwantowe poszczególnych atomów w układzie. Taki detal był wcześniej niemożliwy do uzyskania.
Teraz zespół chce wykorzystać technikę, aby zbadać, co się dzieje, gdy dwa kwantowe cząstki zwane fermionami łączą się, aby utworzyć płyn, który może płynąć bez lepkości lub przewodzić prąd z perfekcyjną wydajnością. Stany te mogą być przydatne do budowy lepszych urządzeń elektronicznych, ale aby osiągnąć ten cel, badacze będą musieli mieć znacznie głębsze zrozumienie, co powoduje parowanie fermionów i co dzieje się z ich stanami kwantowymi po tym sparowaniu. Dzięki nowej technice badacze mogliby stworzyć parę ultrazimnych atomów fermionowych, a następnie obrazować powiększoną funkcję falową, aby się dowiedzieć – mówi Brandstetter.
Tematy:
- nauka kwantowa,
- fizyka atomowa
