Natuurkundigen hebben een nieuwe manier aangetoond om de essentiële details te verkrijgen die een geïsoleerd kwantumsysteem beschrijven, zoals een gas van atomen, door directe observatie. De nieuwe methode geeft informatie over de waarschijnlijkheid van het vinden van atomen op specifieke locaties in het systeem met een ongekende ruimtelijke resolutie. Met deze techniek, wetenschappers kunnen details verkrijgen op een schaal van tientallen nanometers - kleiner dan de breedte van een virus.

Experimenten uitgevoerd bij het Joint Quantum Institute (JQI), een onderzoekspartnerschap tussen het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Maryland, gebruik een optisch rooster - een web van laserlicht dat duizenden individuele atomen ophangt - om de waarschijnlijkheid te bepalen dat een atoom zich op een bepaalde locatie bevindt. Omdat elk individueel atoom in het rooster zich gedraagt ​​als alle andere, een meting van de hele groep atomen onthult de waarschijnlijkheid dat een individueel atoom zich op een bepaald punt in de ruimte bevindt.

Gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X , de JQI-techniek (en een vergelijkbare techniek die gelijktijdig is gepubliceerd door een groep aan de Universiteit van Chicago) kan de waarschijnlijkheid opleveren dat de atomen zich ver onder de golflengte bevinden van het licht dat wordt gebruikt om de atomen te verlichten - 50 keer beter dan de limiet van wat optische microscopie kan normaal gesproken oplossen.

"Het is een demonstratie van ons vermogen om kwantummechanica te observeren, " zei Trey Porto van JQI, een van de fysici achter de onderzoeksinspanningen. "Het is nog nooit gedaan met atomen met een dergelijke precisie."

Om een ​​kwantumsysteem te begrijpen, natuurkundigen praten vaak over de 'golffunctie'. Het is niet alleen een belangrijk detail; het is het hele verhaal. Het bevat alle informatie die u nodig heeft om het systeem te beschrijven.

"Het is de beschrijving van het systeem, " zei JQI-natuurkundige Steve Rolston, een andere van de auteurs van het artikel. "Als je de golffunctie-informatie hebt, je kunt er al het andere over berekenen, zoals het magnetisme van het object, zijn geleidbaarheid en zijn waarschijnlijkheid om licht uit te zenden of te absorberen."

Hoewel de golffunctie een wiskundige uitdrukking is en geen fysiek object, de methode van het team kan het gedrag onthullen dat de golffunctie beschrijft:de kansen dat een kwantumsysteem zich op de ene manier zal gedragen ten opzichte van de andere. In de wereld van de kwantummechanica, waarschijnlijkheid is alles.

Een van de vele vreemde principes van de kwantummechanica is het idee dat voordat we hun posities meten, objecten hebben mogelijk geen aanwijsbare locatie. De elektronen die de kern van een atoom omringen, bijvoorbeeld, reis niet in regelmatige planeetachtige banen, in tegenstelling tot het beeld dat sommigen van ons op school hebben geleerd. In plaats daarvan, ze gedragen zich als kabbelende golven, zodat van een elektron zelf niet kan worden gezegd dat het een bepaalde locatie heeft. Liever, de elektronen bevinden zich in vage gebieden van de ruimte.

Alle objecten kunnen dit golfachtige gedrag vertonen, maar voor alles wat groot genoeg is voor blote ogen om te zien, het effect is niet waarneembaar en de regels van de klassieke natuurkunde zijn van kracht - we merken geen gebouwen op, emmers of broodkruimels die zich als golven verspreiden. Maar isoleer een klein object zoals een atoom, en de situatie is anders omdat het atoom bestaat in een grootterijk waar de effecten van de kwantummechanica oppermachtig zijn. Het is niet mogelijk om met zekerheid te zeggen waar het zich bevindt, alleen dat het ergens te vinden zal zijn. De golffunctie biedt de reeks kansen dat het atoom op een bepaalde plaats zal worden gevonden.

De kwantummechanica wordt goed genoeg begrepen - door natuurkundigen, hoe dan ook - dat voor een eenvoudig genoeg systeem, experts kunnen de golffunctie uit eerste principes berekenen zonder deze te hoeven observeren. Veel interessante systemen zijn ingewikkeld, Hoewel.

"Er zijn kwantumsystemen die niet kunnen worden berekend omdat ze te moeilijk zijn, "Zei Rolston - zoals moleculen gemaakt van verschillende grote atomen. "Deze benadering zou ons kunnen helpen die situaties te begrijpen."

Omdat de golffunctie alleen een reeks kansen beschrijft, hoe kunnen natuurkundigen op korte termijn een volledig beeld krijgen van de effecten? De aanpak van het team omvat het meten van een groot aantal identieke kwantumsystemen tegelijk en het combineren van de resultaten tot één totaalbeeld. Het is een soort van 100 rollen, 000 paar dobbelstenen tegelijk - elke worp geeft een enkel resultaat, en draagt ​​een enkel punt bij aan de kanscurve met de waarden van alle dobbelstenen.

Wat het team observeerde, waren de posities van de ongeveer 100, 000 atomen ytterbium die het optische rooster ophangt in zijn lasers. De ytterbium-atomen zijn geïsoleerd van hun buren en kunnen alleen heen en weer bewegen langs een eendimensionaal lijnsegment. Om een ​​foto met hoge resolutie te krijgen, het team vond een manier om smalle plakjes van deze lijnsegmenten te observeren, en hoe vaak elk atoom in zijn respectieve plak verscheen. Na het observeren van een regio, het team heeft een ander gemeten, totdat het het hele plaatje had.

Rolston zei dat hoewel hij nog niet heeft gedacht aan een "killer-app" die gebruik zou maken van de techniek, het feit alleen al dat het team iets dat centraal staat in het kwantumonderzoek direct in beeld heeft gebracht, fascineert hem.

"Het is niet helemaal duidelijk waar het zal worden gebruikt, maar het is een nieuwe techniek die nieuwe kansen biedt, " zei hij. "We gebruiken al jaren een optisch rooster om atomen te vangen, en nu is het een nieuw soort meetinstrument geworden."