Wetenschap
Natuurkundigen rangschikken atomen dicht bij elkaar, wat de weg vrijmaakt voor het verkennen van exotische toestanden van materie
Meestal doen ze dit door de atomen tot stilstand te laten komen en vervolgens laserlicht te gebruiken om de deeltjes zo dicht als 500 nanometer uit elkaar te plaatsen – een limiet die wordt bepaald door de golflengte van het licht. Nu hebben MIT-natuurkundigen een techniek ontwikkeld waarmee ze atomen veel dichter bij elkaar kunnen plaatsen, tot op slechts 50 nanometer. Ter context:een rode bloedcel is ongeveer 1000 nanometer breed.
De natuurkundigen hebben de nieuwe aanpak gedemonstreerd in experimenten met dysprosium, het meest magnetische atoom in de natuur. Ze gebruikten de nieuwe aanpak om twee lagen dysprosiumatomen te manipuleren en plaatsten de lagen precies 50 nanometer uit elkaar. Bij deze extreme nabijheid waren de magnetische interacties duizend keer sterker dan wanneer de lagen 500 nanometer van elkaar gescheiden zouden zijn.
Een artikel waarin dit werk wordt beschreven, is gepubliceerd in het tijdschrift Science .
De wetenschappers konden twee nieuwe effecten meten, veroorzaakt door de nabijheid van de atomen. Hun verhoogde magnetische krachten veroorzaakten 'thermalisatie', oftewel de overdracht van warmte van de ene laag naar de andere, evenals gesynchroniseerde oscillaties tussen lagen. Deze effecten verdwenen naarmate de lagen verder uit elkaar werden geplaatst.
"We zijn van het positioneren van atomen van 500 nanometer naar 50 nanometer uit elkaar gegaan, en je kunt hier veel mee doen", zegt Wolfgang Ketterle, de John D. MacArthur hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Bij 50 nanometer is het gedrag van atomen zo heel anders dat we hier echt in een nieuw regime terechtkomen."
Ketterle en zijn collega's zeggen dat de nieuwe aanpak op veel andere atomen kan worden toegepast om kwantumverschijnselen te bestuderen. De groep van hun kant is van plan de techniek te gebruiken om atomen te manipuleren in configuraties die de eerste puur magnetische kwantumpoort zouden kunnen genereren – een belangrijke bouwsteen voor een nieuw type kwantumcomputer.
Tot de co-auteurs van de studie behoren hoofdauteur en natuurkundestudent Li Du, samen met Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond en Yu-Kun Lu – allemaal leden van het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, het Department of Physics, en het Research Laboratory of Electronics aan het MIT.
Pieken en dalen
Om atomen te manipuleren en te rangschikken, koelen natuurkundigen doorgaans eerst een wolk atomen af tot temperaturen die het absolute nulpunt naderen, en gebruiken ze vervolgens een systeem van laserstralen om de atomen in een optische val te laten samenkomen.
Laserlicht is een elektromagnetische golf met een specifieke golflengte (de afstand tussen de maxima van het elektrische veld) en frequentie. De golflengte beperkt het kleinste patroon waarin licht kan worden gevormd tot typisch 500 nanometer, de zogenaamde optische resolutielimiet. Omdat atomen worden aangetrokken door laserlicht met bepaalde frequenties, zullen atomen worden gepositioneerd op de punten met de maximale laserintensiteit. Om deze reden zijn bestaande technieken beperkt in hoe dichtbij ze atomaire deeltjes kunnen positioneren, en kunnen ze niet worden gebruikt om verschijnselen te onderzoeken die zich op veel kortere afstanden voordoen.
"Conventionele technieken stoppen bij 500 nanometer, niet beperkt door de atomen maar door de golflengte van het licht", legt Ketterle uit. "We hebben nu een nieuwe truc met licht gevonden waarmee we die grens kunnen doorbreken."
De nieuwe aanpak van het team begint, net als de huidige technieken, met het afkoelen van een wolk van atomen – in dit geval tot ongeveer 1 microkelvin, slechts een haar boven het absolute nulpunt – waarna de atomen bijna tot stilstand komen. Natuurkundigen kunnen vervolgens lasers gebruiken om de bevroren deeltjes in de gewenste configuraties te brengen.
Vervolgens werkten Du en zijn medewerkers met twee laserstralen, elk met een andere frequentie of kleur; en circulaire polarisatie, of richting van het elektrische veld van de laser. Wanneer de twee bundels door een onderkoelde wolk van atomen reizen, kunnen de atomen hun rotatie in tegengestelde richtingen oriënteren, waarbij ze de polarisatie van de twee lasers volgen. Het resultaat is dat de bundels twee groepen van dezelfde atomen produceren, alleen met tegengestelde spins.
Elke laserstraal vormde een staande golf, een periodiek patroon van elektrische veldintensiteit met een ruimtelijke periode van 500 nanometer. Vanwege hun verschillende polarisaties trok elke staande golf een van de twee groepen atomen aan en bracht deze samen, afhankelijk van hun spin. De lasers kunnen zo over elkaar heen worden geplaatst en zo worden afgestemd dat de afstand tussen hun respectievelijke pieken slechts 50 nanometer bedraagt, wat betekent dat de atomen die naar de respectievelijke laserpieken worden aangetrokken, door dezelfde 50 nanometer van elkaar worden gescheiden.
Maar om dit te laten gebeuren, zouden de lasers extreem stabiel moeten zijn en immuun moeten zijn voor alle externe geluiden, zoals trillen of zelfs ademen tijdens het experiment. Het team realiseerde zich dat ze beide lasers konden stabiliseren door ze door een optische vezel te sturen, die ervoor zorgde dat de lichtbundels ten opzichte van elkaar op hun plaats bleven.
"Het idee om beide stralen door de optische vezel te sturen zorgde ervoor dat de hele machine hevig kon trillen, maar de twee laserstralen bleven absoluut stabiel ten opzichte van elkaar", zegt Du.
Magnetische krachten op korte afstand
Als eerste test van hun nieuwe techniek gebruikte het team atomen van dysprosium – een zeldzaam aardmetaal dat een van de sterkste magnetische elementen in het periodiek systeem is, vooral bij ultrakoude temperaturen. Op atomaire schaal zijn de magnetische interacties van het element echter relatief zwak op afstanden van zelfs 500 nanometer.
Net als bij gewone koelkastmagneten neemt de magnetische aantrekkingskracht tussen atomen toe met de nabijheid, en de wetenschappers vermoedden dat als hun nieuwe techniek dysprosiumatomen zo dicht als 50 nanometer uit elkaar zou kunnen plaatsen, ze de opkomst van anderszins zwakke interacties tussen de magnetische atomen zouden kunnen waarnemen. /P>
"We zouden plotseling magnetische interacties kunnen hebben, die vroeger bijna verwaarloosbaar waren, maar nu erg sterk zijn", zegt Ketterle.
Het team paste hun techniek toe op dysprosium, waarbij eerst de atomen onderkoeld werden en vervolgens twee lasers werden doorgelaten om de atomen in twee spingroepen of lagen te splitsen. Vervolgens richtten ze de lasers door een optische vezel om ze te stabiliseren, en ontdekten dat de twee lagen dysprosiumatomen inderdaad naar hun respectieve laserpieken trokken, die in feite de atoomlagen scheidden met 50 nanometer – de kortste afstand die een ultrakoud atoom kan bereiken. experiment heeft kunnen bereiken.
Door deze extreem korte afstand waren de natuurlijke magnetische interacties van de atomen aanzienlijk verbeterd, en waren ze duizend keer sterker dan wanneer ze 500 nanometer uit elkaar waren geplaatst. Het team merkte op dat deze interacties resulteerden in twee nieuwe kwantumfenomenen:collectieve oscillatie, waarbij de trillingen van de ene laag ervoor zorgden dat de andere laag synchroon trilde; en thermalisatie, waarbij de ene laag warmte naar de andere overdraagt, puur door magnetische fluctuaties in de atomen.
"Tot nu toe kon warmte tussen atomen alleen worden uitgewisseld als ze zich in dezelfde fysieke ruimte bevonden en konden botsen", merkt Du op. "Nu hebben we atomaire lagen gezien, gescheiden door vacuüm, en ze wisselen warmte uit via fluctuerende magnetische velden."
De resultaten van het team introduceren een nieuwe techniek die kan worden gebruikt om vele soorten atomen dicht bij elkaar te positioneren. Ze laten ook zien dat atomen, als ze dicht genoeg bij elkaar worden geplaatst, interessante kwantumverschijnselen kunnen vertonen, die kunnen worden benut om nieuwe kwantummaterialen te bouwen, en mogelijk magnetisch aangedreven atomaire systemen voor kwantumcomputers.
"We brengen echt superresolutiemethoden naar het veld, en het zal een algemeen hulpmiddel worden voor het uitvoeren van kwantumsimulaties", zegt Ketterle. "Er zijn veel varianten mogelijk, waar we aan werken."