Een internationaal team van natuurkundigen van het Mandelstam Institute for Theoretical Physics aan de Wits University en het Institut Néel in Grenoble, Frankrijk, heeft een supergeleidend circuit gecreëerd dat het kwantummechanische proces nabootst waarin een atoom licht absorbeert of uitzendt.

Hun werk is onlangs gepubliceerd Kwantuminformatie , en werd benadrukt in een redactioneel stuk in hetzelfde tijdschrift. Wat hun apparaat uniek maakt, is dat ze een kunstmatige licht-materie-interactie bereiken die een orde van grootte groter is dan in de wereld als geheel.

Het team werd geleid door Nicholas Roch van het Institut Néel van het Centre National de la Researche Scientifique in Frankrijk. De experimenten werden uitgevoerd door Ph.D. studenten Javier Martínez en Sébastien Léger.

"Het voordeel van kunstmatige apparaten zoals de onze is dat ze gemakkelijk kunnen worden aangepast. Op deze manier kunnen ze andere bekende sterk op elkaar inwerkende systemen nabootsen, " zegt dr. Izak Snyman, van de Wits-universiteit, die een prominente rol speelden bij de theoretische modellering van het apparaat en bij het analyseren en interpreteren van de experimentele gegevens.

"Een opwindende toepassing is om ons apparaat te gebruiken om kwantumverschijnselen te simuleren die plaatsvinden in een klomp metaal, waar het niet mogelijk is om te observeren wat er gebeurt zo nauwkeurig als in ons kunstmatige systeem."

Het team bereikte hun verbetering van de interactie tussen licht en materie door hun kunstmatige atoom in te bedden in een zorgvuldig gevormde reeks identieke kleine supergeleiders, elk ongeveer 1000 nanometer groot (1000 thof een millimeter). Aan het licht dat wordt uitgezonden of geabsorbeerd door het kunstmatige atoom, dit lijkt op een kristal, waardoor de snelheid waarmee het licht reist drastisch wordt verlaagd. Als resultaat, er is meer tijd voor een lichtpuls om te interageren met het kunstmatige atoom, en een sterkere interactie resulteert.

Om de sterkte van de interactie tussen licht en materie te bepalen, het team bestudeerde de snelheid waarmee hun atoom licht uitstraalt. Ze vergeleken dit met de snelheid waarmee het "elektron" in hun kunstmatige atoom draait. Waar een elektron in een normaal waterstofatoom ongeveer 10 miljoen keer ronddraait voordat het vervalt en een pakket licht uitzendt, de onderzoekers slaagden erin om het kunstmatige atoom na slechts 10 oscillaties te laten vervallen en een pakket licht uit te zenden.

"Dit toont een verrassend sterke interactie tussen het licht en het atoom, ", zegt Snyman. "In eerdere apparaten waar deze prestatie werd bereikt, de omgeving waar licht doorheen moest reizen gedroeg zich steevast op dezelfde manier als een stemvork voor licht, door sterk de voorkeur te geven aan een enkele lichtfrequentie."

Door geen bepaalde frequentie (of kleur) te kiezen, de omgeving zorgt voor veel rijker gedrag dat voortkomt uit de interactie tussen licht en materie dan eerdere apparaten. Verder, overwegende dat voor een bepaald natuurlijk atoom, men zit vast met de interactiekracht die de natuur kiest, in het nieuwe apparaat kan het met de hand worden aangepast.

"Dit is vergelijkbaar met het hebben van een app waarmee je de hoeveelheid elektrische lading die een proton of elektron draagt, kan aanpassen, in plaats van genoegen te nemen met het door de natuur vastgestelde normbedrag, ' zegt Snyman.

Hoewel er niet per se real-world toepassingen zijn voor dit nieuwe apparaat, Snyman gelooft dat het wetenschappers een nieuwe set hulpmiddelen biedt om sterk op elkaar inwerkende kwantummechanische systemen te verkennen.

"Veel onbeantwoorde fundamentele vragen in de natuurkunde hebben betrekking op sterke interacties. hoe binden quarks zich om protonen en neutronen te vormen? Apparaten zoals de onze kunnen aanwijzingen geven voor deze puzzels."