JILA-onderzoekers hebben, Voor de eerste keer, groepen van een paar atomen geïsoleerd en nauwkeurig hun interacties met meerdere deeltjes binnen een atoomklok gemeten. De vooruitgang zal wetenschappers helpen om interactie met kwantummaterie te beheersen, die naar verwachting de prestaties van atoomklokken zal verbeteren, vele andere soorten sensoren, en kwantuminformatiesystemen.

Het onderzoek wordt beschreven in een Natuur paper vroeg online geplaatst op 31 oktober. JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

NIST-wetenschappers voorspellen al jaren "veel-lichaams"-fysica en de voordelen ervan, maar het nieuwe JILA-werk levert het eerste kwantitatieve bewijs van wat er precies gebeurt als een paar fermionen worden samengepakt - atomen die zich niet tegelijkertijd in dezelfde kwantumtoestand en locatie kunnen bevinden.

"We proberen de opkomst van complexiteit te begrijpen wanneer meerdere deeltjes - atomen hier - met elkaar interageren, "NIST en JILA Fellow Jun Ye zeiden. "Hoewel we de regels over hoe twee atomen op elkaar inwerken misschien perfect begrijpen, wanneer meerdere atomen bij elkaar komen, zijn er altijd verrassingen. We willen de verrassingen kwantitatief begrijpen."

De beste instrumenten van vandaag voor het meten van grootheden zoals tijd en frequentie zijn gebaseerd op de controle van individuele kwantumdeeltjes. Dit is zelfs het geval wanneer ensembles van duizenden atomen in een atoomklok worden gebruikt. Deze metingen naderen de zogenaamde standaard kwantumlimiet - een "muur" die verdere verbeteringen met behulp van onafhankelijke deeltjes verhindert.

Het benutten van interacties tussen veel deeltjes kan die muur terugdringen of er zelfs doorheen breken, omdat een gemanipuleerde kwantumtoestand atoombotsingen kan onderdrukken en kwantumtoestanden kan beschermen tegen interferentie, of lawaai. In aanvulling, atomen in dergelijke systemen zouden kunnen worden gerangschikt om elkaars kwantumruis op te heffen, zodat sensoren beter zouden worden naarmate er meer atomen werden toegevoegd, veelbelovende grote sprongen in precisie en data-dragende capaciteit.

In het nieuwe onderzoek het JILA-team gebruikte hun driedimensionale strontiumroosterklok], die nauwkeurige atoomcontrole biedt. Ze creëerden arrays van één tot vijf atomen per roostercel, en vervolgens een laser gebruikt om de klok "tikkend, " of schakelen op een specifieke frequentie tussen twee energieniveaus in de atomen. JILA's nieuwe beeldtechniek werd gebruikt om de kwantumtoestanden van de atomen te meten.

De onderzoekers zagen onverwachte resultaten wanneer drie of meer atomen samen in een cel zaten. De resultaten waren niet-lineair, of onvoorspelbaar op basis van ervaringen uit het verleden, een kenmerk van interacties met meerdere deeltjes. De onderzoekers combineerden hun metingen met theoretische voorspellingen van NIST-collega's Ana Maria Rey en Paul Julienne om te concluderen dat interacties met meerdere deeltjes plaatsvonden.

specifiek, de frequentie van de klok verschoof op onverwachte manieren wanneer drie of meer atomen zich in een roosterplaats bevonden. De verschuiving is anders dan je zou verwachten als je verschillende paren atomen opsomt. Bijvoorbeeld, vijf atomen per cel veroorzaakten een verschuiving van 20 procent in vergelijking met wat normaal zou worden verwacht.

"Als je eenmaal drie atomen per cel hebt, de regels veranderen, "Je zei. Dit komt omdat de kernspins en elektronische configuraties van de atomen samen spelen om de algehele kwantumtoestand te bepalen, en de atomen kunnen allemaal tegelijk interageren in plaats van paarsgewijs, hij zei.

Effecten met meerdere deeltjes kwamen ook voor in overvolle roostercellen in de vorm van een ongewone, snel vervalproces. Twee atomen per triade vormden een molecuul en één atoom bleef los, maar ze hadden allemaal genoeg energie om uit de val te ontsnappen. Daarentegen, een enkel atoom zal waarschijnlijk veel langer in een cel blijven, zei je.

"Wat dit betekent is, we kunnen ervoor zorgen dat er maar één atoom per cel in onze atoomklok is, "Je zei. "Als we deze processen begrijpen, kunnen we een beter pad vinden voor het maken van verbeterde klokken, omdat deeltjes onvermijdelijk met elkaar zullen interageren als we er genoeg in de buurt hebben om de signaalsterkte te verbeteren."

Het JILA-team ontdekte ook dat het inpakken van drie of meer atomen in een cel kan leiden tot langlevende, sterk verstrengelde staten, wat betekent dat de kwantumeigenschappen van de atomen op een stabiele manier met elkaar verbonden waren. Deze eenvoudige methode om meerdere atomen te verstrengelen kan een nuttige bron zijn voor de verwerking van kwantuminformatie.