物理学家将原子间距极限缩短，以探索物质的奇异状态
BALI @ 2024.05.14 , 07:05 上午量子现象的许多关键在于原子之间的相互作用在粒子接近时会更强烈。许多量子模拟器中，科学家将原子尽可能地排列在一起，以探索异态物质并构建新的量子材料。
他们通常通过将原子冷却到静止状态，然后使用激光光束将粒子定位在距离仅为500纳米的位置上，这一极限是由光的波长确定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出一种技术，使他们能够将原子排列在更加紧密的距离上，最小可达到50纳米。供参考，红细胞的宽度约为1000纳米。
物理学家们在与镝的实验中展示了这种新方法。镝是自然界中最具磁性的原子。他们使用这种新方法来操纵两层镝原子，并将这两层精确地定位在距离仅为50纳米的位置上。在这种极端接近的情况下，磁相互作用比如果两层之间相隔500纳米要强1000倍。
这项工作的论文发表在《科学》杂志上。
科学家们能够测量到由原子之间的接近引起的两种新效应。他们增强的磁力引起了“热化”，即从一层到另一层的热传递，以及层间的同步振荡。这些效应在层间距离较远时逐渐减弱。
“我们已经将原子的定位从500纳米提高到50纳米，这可以做很多事情，”麻省理工学院物理学教授Wolfgang Ketterle说道。“在50纳米时，原子的行为变得如此之不同，以至于我们真的进入了一个新的领域。”
Ketterle及其同事表示，这种新方法可以应用于许多其他原子来研究量子现象。对于他们自己而言，该团队计划利用这种技术将原子操纵成可以生成第一个纯磁性量子门的结构，这是一种新型量子计算机的关键组成部分。
峰谷
为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将一团原子冷却到接近绝对零度的温度，然后使用一套激光束系统将原子驱使到一个光学陷阱中。
激光光束是具有特定波长(电场最大值之间的距离)和频率的电磁波。波长限制了光可以被塑造成的最小图案，通常为500纳米，即所谓的光学分辨率限制。由于原子受到某些频率的激光光的吸引，因此原子将定位在激光强度最大的点上。由于这个原因，现有技术在原子之间的位置有多近方面存在限制，并且不能用于探索在更短距离上发生的现象。
“传统技术的限制在于500纳米，不是由原子决定的，而是由光的波长决定的，”Ketterle解释道。“我们现在发现了一种新的利用光的方法，可以突破这个限制。”
该团队的新方法与当前技术类似，首先通过冷却一团原子—在这种情况下约为1微开尔文，略高于绝对零度—使原子几乎静止。物理学家然后可以使用激光将冷冻的粒子移动到所需的配置中。
然后，杜力和他的合作者使用两束激光光束，每束光束具有不同的频率或颜色；和圆偏振，或激光的电场方向。当两束光束穿过一个超冷原子云时，原子可以使它们的自旋朝着相反的方向取向，遵循两束激光光的极化之一。结果是，光束产生了两组相同原子，只是自旋相反。
每束激光光束形成了一个驻波，即具有500纳米空间周期的电场强度的周期图案。由于它们不同的极化，每个驻波吸引并驱使两组原子中的一
组，具体取决于它们的自旋。激光可以叠加并调节，使它们之间峰值的距离最小可达50纳米，这意味着吸引到每个激光峰值的原子将被分隔开50纳米。
但是，为了实现这一点，激光必须非常稳定，并且不受任何外部噪音的影响，例如来自震动甚至呼吸对实验的影响。团队意识到他们可以通过将两束激光引导通过光纤来稳定这两束激光，从而将光束固定在彼此的相对位置上。
“通过将两束激光通过光纤发送的想法意味着整个机器可能会剧烈震动，但是两束激光相对于彼此保持绝对稳定，”杜力说。
接近距离的磁力
作为对他们新技术的首次测试，团队使用了镝原子——一种在元素周期表中是最具磁性的稀土金属，特别是在超冷温度下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在甚至500纳米的距离上也相对较弱。
与普通的冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力随着距离的接近而增加，科学家怀疑，如果他们的新技术能够将镝原子间距离缩小至50纳米，他们可能会观察到在其他情况下几乎可以忽略不计的磁性原子之间的相互作用的出现。
“我们突然可以有了以前几乎可以忽略不计的磁相互作用，但现在却非常强大，”Ketterle说道。
团队将他们的技术应用于镝，首先将原子超冷，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或层。然后，他们通过光纤引导激光以稳定它们，并发现确实，镝原子的两层各自吸引到了它们各自的激光峰值，从而将原子层分离开来，距离为50纳米——这是任何超冷原子实验能够达到的最接近距离。
在这种极端接近的情况下，原子之间的自然磁相互作用被显着增强，比起它们相隔500纳米时要强1000倍。团队观察到，这些相互作用导致了两种新的量子现象：集体振荡，其中一层的振动导致另一层同步振荡；以及热化，其中一层通过原子中的磁场波动将热量传递给另一层。
“直到现在，原子之间的热量只能在它们处于相同的物理空间并且能够碰撞时进行交换，”杜力指出。“现在我们看到了原子层，它们之间通过磁场波动进行热量交换，而它们之间被真空隔开。”
团队的结果介绍了一种新的技术，可以用来将许多类型的原子放置在靠近位置。他们还表明，原子如果距离足够近，可以展示出有趣的量子现象，这些现象可以被利用来构建新的量子材料，以及潜在的用于量子计算机的磁驱动原子系统。
“我们真正将超分辨率方法引入到这个领域，这将成为进行量子模拟的一种通用工具，”Ketterle说道。“有许多可能的变体，我们正在研究。”