Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een plat kristal van 150 berylliumionen (elektrisch geladen atomen) "flash-bevroren" nieuwe mogelijkheden openen voor het simuleren van magnetisme op de kwantumschaal en het waarnemen van signalen van mysterieuze donkere materie.

Veel onderzoekers hebben tientallen jaren geprobeerd om trillende objecten die groot genoeg zijn om met het blote oog zichtbaar te zijn, te koelen tot het punt waarop ze de minimale beweging hebben die door de kwantummechanica is toegestaan, de theorie die het gedrag van materie op atomaire schaal regelt. Hoe kouder hoe beter, omdat het het apparaat gevoeliger maakt, stabieler en minder vervormd, en daarom, handiger voor praktische toepassingen. Tot nu, echter, onderzoekers hebben slechts een paar soorten trillingen kunnen verminderen.

In het NIST-experiment magnetische en elektrische velden koelden af ​​en hielden de ionen vast, zodat ze een schijf vormden met een diameter van minder dan 250 micrometer (miljoensten van een meter). De schijf wordt als een kristal beschouwd omdat de ionen in een regelmatig herhalend patroon zijn gerangschikt.

Zoals beschreven in Fysieke beoordelingsbrieven , NIST-onderzoekers koelden het kristal in slechts 200 microseconden (miljoensten van een seconde), zodat elk ion ongeveer een derde van de energie had die door een enkele fonon wordt gedragen, een pakket bewegingsenergie in het kristal. Dit is zeer dicht bij de hoeveelheid energie in de laagst mogelijke kwantum "grond" toestand voor de zogenaamde "drumhead" trillingen van het kristal, die vergelijkbaar zijn met de op-en-neer bewegingen van een kloppende trommel.

De onderzoekers koelden en vertraagden alle 150 trommelveltrillingen, één voor elk ion. (De onderstaande simulatievideo toont acht voorbeeldtypen trommelveltrillingen.) Het werk toonde aan dat honderden ionen collectief kunnen worden gekalmeerd met behulp van deze techniek, een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van de vorige demonstratie door een andere groep die een lijn van 18 ionen koelde.

Voor trillingen bij de frequenties die in deze demonstratie zijn afgekoeld, een derde van de energie die door een fonon wordt gedragen, komt overeen met 50 microKelvin, of 50 miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt (min 459,67 °F of min 273,15 °C), zei groepsleider John Bollinger. Hoewel het geen recordtemperatuur is, dit niveau ligt dicht bij de kwantummechanische grondtoestand voor alle drumvelmodi, wat betekent dat de thermische beweging klein is voor zo'n zeer beperkt systeem, merkte Bollinger op.

Om zoveel koeling te bereiken, de onderzoekers richtten twee lasers met specifieke frequenties en vermogensniveaus op het kristal. De lasers koppelden de energieniveaus van de ionen op zo'n manier dat het ionenkristal energie verliest zonder de beweging ervan te vergroten. Voor de meeste laserlichtdeeltjes die door het kristal worden verstrooid, de ionen verloren beweging, het kristal afkoelen.

De methode koelde geen andere soorten trillingen, zoals de zij-aan-zij beweging van het schijfvormige kristal. Maar de drumvelbewegingen hebben de meest praktische toepassingen. Alleen de drumveltrillingen worden gebruikt in kwantumsimulaties en kwantumsensoren.

Koudere drumvelvibraties zullen het ionenkristal een meer realistische simulator van kwantummagnetisme maken, die moeilijk te berekenen zijn op conventionele computers. Grondtoestandkoeling zou ook meer gecompliceerde verstrengelde kwantumsystemen mogelijk moeten maken, betere metingen mogelijk maken voor quantum sensing-toepassingen.

"Een toepassing voor kwantumdetectie die we graag willen onderzoeken, is de waarneming van zeer zwakke elektrische velden, "Zei Bollinger. "Met koeling van de grondtoestand verbeteren we ons vermogen om elektrische velden waar te nemen op een niveau dat een zoektocht naar bepaalde soorten donkere materie mogelijk maakt - axions (hypothetische subatomaire deeltjes) en verborgen fotonen (tot nu toe ongeziene krachtdragers). "

Toekomstig onderzoek zal proberen om driedimensionale kristallen af ​​te koelen met veel grotere aantallen ionen.