In het dagelijkse leven, materie gedraagt ​​zich in een voorspelbare, verwachte manier. Als je een bal gooit, je gaat ervan uit dat het in een bepaalde richting zal reizen en een voorspelbare terugslag zal hebben. Bovendien, krachten die op het ene object worden uitgeoefend, hebben geen effect op een ander, zelfstandig voorwerp.

Maar in de kwantummechanica - de fysica van het kleine - zijn de regels compleet anders. In een, twee, en driedeeltjessystemen, acties die op één plek plaatsvinden, kunnen atomen ver weg sterk beïnvloeden. Wetenschappers hebben hier nog geen volledig begrip van, maar door het gedrag van deze systemen en meer complexe systemen te analyseren, ze hopen inzichten te vinden.

Onderzoekers van de Quantum Systems Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), naast medewerkers van University College Dublin en Durham University, een van deze systemen gesimuleerd, die kwantumtoestanden onthulde - manieren waarop deeltjes zichzelf rangschikken in geïsoleerde systemen - die onverwacht waren. hun resultaten, gepubliceerd in Nieuw tijdschrift voor natuurkunde , zou toepassingen kunnen hebben voor kwantumtechnologieën.

"Als je een steen van een boot gooit, de steen gaat de ene kant op en de boot de andere, " verklaarde professor Thomas Busch, die de eenheid leidt. "In de kwantummechanica, we kunnen veel sterkere correlaties hebben op veel grotere afstanden. Het is alsof je een rode sok en een groene sok aantrekt, dan iemand op Antarctica, die je nog nooit hebt ontmoet, zou hetzelfde moeten doen. En ons werk heeft nieuwe staten gevonden met deze zeer sterke correlaties, die heel goed te controleren is."

Experimenteren met twee atomen

Wanneer wetenschappers macroscopische systemen onderzoeken, ze hebben de neiging om naar veel deeltjes te kijken - zeg 1, 023. Omdat er zoveel zijn, ze kunnen niet elk atoom volgen en moeten aannames doen. Om dit te voorkomen, de onderzoekers in deze studie gebruikten een andere optie.

"We hebben een systeem gesimuleerd met slechts twee atomen, " zei eerste auteur Ayaka Usui, een doctoraat leerling in de eenheid. "Dit leverde een bouwsteen op van het grotere systeem, maar we konden alles controleren en precies zien wat er gebeurde. En, om dit systeem verder te controleren, we beschouwden superkoude atomen."

Op kamertemperatuur, deeltjes bewegen heel snel. Hoe warmer het is, hoe sneller ze bewegen. Door gebruik te maken van laserkoeling, deze atomen kunnen worden afgeremd en afgekoeld totdat ze een snelheid van bijna nul bereiken en dus superkoud zijn. Dit maakte het voor Ayaka en collega's veel gemakkelijker om ze in hun simulaties te beschrijven.

In een systeem als dit, het eenvoudigste wat de deeltjes kunnen doen, is met elkaar in botsing komen. Dit dwingt hen om te bewegen en van richting te veranderen, maar deeltjes hebben ook iets dat spin wordt genoemd. De spin van een deeltje wijst naar boven of naar beneden en beïnvloedt verder hoe het beweegt - een effect dat spin-baankoppeling wordt genoemd. Toen de onderzoekers een systeem simuleerden met twee superkoude atomen die in een spinbaan waren gekoppeld, deze nieuwe staten, met hun zeer sterke correlaties, werden onthuld.

"We hebben de systemen met twee deeltjes waar je deze toestanden krijgt en die met 1, 023 waar je niet, " zei Dr. Thomás Fogarty, Postdoctoraal geleerde in de eenheid. "Ergens langs deze lange keten van toevoegende deeltjes, deze nieuwe staten verdwijnen."

Engineering verdere inzichten

"Naast de nieuwe staten, we hebben de formules ontdekt die dit systeem precies beschrijven, "zei Ayaka. "Dus nu, we kunnen het construeren."

Door deze formules te vinden, de onderzoekers hebben controle over het systeem en zijn nu van plan om de parameters te veranderen om naar de dynamiek van het systeem te kijken.

"We gaan het systeem opsplitsen, dus we hebben er twee, " zei Ayaka. "We kunnen de sterke correlaties gebruiken om ons te helpen het systeem te meten. Als we één atoom in een van de systemen vinden, we weten dat de andere ook in die zit, zonder het te meten, omdat ze nauw gecorreleerd zijn."

Hoewel dit onderzoek zich slechts concentreert op een klein aspect van wat de kwantummechanica kan doen, het heeft tal van toepassingen, zei professor Busch.

"Quantumtechnologieën hebben deze correlaties nodig, " legde hij uit. "Deze nieuwe staten hebben de sterkste niet-klassieke correlaties die we kennen, en we kunnen ze engineeren. Met dit onderzoek, we zouden krachtigere computers kunnen bouwen. We zouden meetapparatuur kunnen maken die minuscule verschillen in zwaartekracht of elektrische pulsen in de hersenen meten. Er zijn zoveel toepassingen om naar toe te werken."