Exotische fysica kan plaatsvinden wanneer kwantumdeeltjes samenkomen en met elkaar praten. Het begrijpen van dergelijke processen is een uitdaging voor wetenschappers, omdat de interacties tussen de deeltjes moeilijk te zien zijn en nog moeilijker te controleren. Bovendien, moderne computersimulaties hebben moeite om alle ingewikkelde dynamiek in een grote groep deeltjes te begrijpen. Gelukkig, atomen die zijn afgekoeld tot bijna nul temperaturen kunnen inzicht geven in dit probleem.

Lasers kunnen ervoor zorgen dat koude atomen de fysica nabootsen die in andere systemen wordt gezien - een benadering die bekend is voor atoomfysici. Ze gebruiken regelmatig kruisende laserstralen om atomen vast te leggen in een landschap van glooiende heuvels en valleien dat een optisch rooster wordt genoemd. Atomen, wanneer afgekoeld, niet genoeg energie hebben om de heuvels op te lopen, en ze komen vast te zitten in de valleien. In deze omgeving, de atomen gedragen zich op dezelfde manier als de elektronen in de kristalstructuur van veel vaste stoffen, dus deze benadering biedt een eenvoudige manier om meer te weten te komen over interacties in echte materialen.

Maar de conventionele manier om optische roosters te maken heeft enkele beperkingen. De golflengte van het laserlicht bepaalt de ligging van de heuvels en dalen, en dus kan de afstand tussen aangrenzende valleien - en daarmee de afstand tussen atomen - slechts worden verkleind tot de helft van de golflengte van het licht. Door atomen dichterbij te brengen dan deze limiet, kan er veel sterkere interactie tussen de atomen ontstaan ​​en kunnen effecten worden onthuld die anders in het ongewisse blijven.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van het Joint Quantum Institute (JQI), in samenwerking met onderzoekers van het Institute for Quantum Optics and Quantum Information in Innsbruck, Oostenrijk, heeft de golflengtelimiet omzeild door gebruik te maken van de inherente kwantumkenmerken van de atomen, waardoor atomaire roosterburen dichterbij zouden moeten komen dan ooit tevoren. De nieuwe techniek slaagt erin de zachte roosterheuvels in steile wanden te persen, gescheiden door slechts een vijftigste van de lasergolflengte - 25 keer smaller dan mogelijk is met conventionele methoden. Het werk, die is gebaseerd op twee eerdere theoretische voorstellen, werd onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

In de meeste optische roosters, atomen worden gerangschikt door vloeiende dalingen in de intensiteit van laserlicht te herhalen - een mechanisme dat ook werkt met niet-kwantumobjecten zoals bacteriën of zelfs glasparels. Maar dit negeert veel inherente kwantumkenmerken van de atomen. In tegenstelling tot glaskralen, atomen, veroorzaakt door laserlicht van bepaalde kleuren, kunnen intern schakelen tussen verschillende kwantumversies van zichzelf, staten genoemd. Het team exploiteert deze eigenschap om roosters te bouwen die de glooiende heuvels effectief vervangen door stekelige elementen.

"De truc is dat we niet alleen vertrouwen op de intensiteit van het licht, " legt Yang Wang uit, een postdoctoraal onderzoeker bij de JQI en de hoofdauteur van het artikel. "In plaats daarvan, we gebruiken licht als hulpmiddel om een ​​kwantummechanisch effect mogelijk te maken. En dat creëert het nieuwe soort landschap voor de atomen."

Om dit rooster te maken, de onderzoekers verstrikken de atomen in een tweekleurig lichtpatroon. Elke kleur is zo gekozen dat het de interne toestand van een atoom op zichzelf kan veranderen, maar als de twee kleuren elkaar overlappen, de meer intense kleur op elke plek neemt de leiding en bepaalt in welke interne toestand het atoom terechtkomt. Maar dit patroon is niet glad - er zijn uitgestrekte valleien waar het atoom de voorkeur geeft aan één staat, onderbroken door dunne stroken waar het moet schakelen. De regels van de kwantummechanica schrijven voor dat elke keer dat een atoom van toestand verandert, het atoom moet een prijs betalen in de vorm van energie, net als het beklimmen van een heuvel. Hoewel een soepele overgang kan lijken op een zondagse wandeling naar het atoom, grote veranderingen over kortere afstanden evolueren snel naar een steeds steilere wandeling. In het experiment, de dunne stroken in het lichtpatroon zijn zo smal, dat ze eruitzien als onoverkomelijke muren voor het atoom, dus het vermijdt ze en komt ertussen te zitten.

Deze scherpe muren zijn een belangrijke eerste stap in de zoektocht om atomen nog dichterbij te brengen. De nieuwe techniek biedt nog steeds voldoende ruimte voor atomen om te reizen binnen de wijde, vlakke vlaktes, maar onderzoekers zijn van plan deze vrijheid te verminderen door meer barrières toe te voegen. "Terwijl we stappen ondernemen om de atomen steeds verder op te sluiten, kwantumeffecten tussen de atomen moeten steeds belangrijker worden, " zegt Trey Porto, een JQI Fellow en een auteur van het papier. "Dit heeft een praktisch neveneffect, omdat het ook de temperatuur verhoogt die we nodig hebben om raar kwantumgedrag te zien. Koelen is vrij moeilijk, dus dit zou de fysica die we nastreven gemakkelijker haalbaar maken."

Het onderzoeksteam zegt dat deze tool ook nuttig kan zijn voor toekomstige kwantumchemie-experimenten, waardoor wetenschappers atomen dichtbij genoeg kunnen brengen om op kleine schaal deel te nemen, sterk gecontroleerde reactie.