Wetenschap
Het draaien en binden van materiegolven met fotonen in een holte
Het nauwkeurig meten van de energietoestanden van individuele atomen is een historische uitdaging geweest voor natuurkundigen vanwege de atomaire terugslag. Wanneer een atoom interageert met een foton, "terugdeinst" het atoom in de tegenovergestelde richting, waardoor het moeilijk wordt om de positie en het momentum van het atoom nauwkeurig te meten. Deze terugslag kan grote gevolgen hebben voor kwantumdetectie, die minieme veranderingen in parameters detecteert, bijvoorbeeld door veranderingen in zwaartekrachtsgolven te gebruiken om de vorm van de aarde te bepalen of zelfs donkere materie te detecteren.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Science JILA en NIST Fellows Ana Maria Rey en James Thompson, JILA Fellow Murray Holland, en hun teams stelden een manier voor om deze atomaire terugslag te overwinnen door een nieuw type atomaire interactie te demonstreren, genaamd momentum-exchange-interactie, waarbij atomen hun momentum uitwisselden door overeenkomstige uitwisselingen uit te wisselen. fotonen.
Met behulp van een holte (een afgesloten ruimte bestaande uit spiegels) constateerden de onderzoekers dat de atomaire terugslag werd gedempt doordat atomen binnen de besloten ruimte energietoestanden uitwisselden. Dit proces creëerde een collectieve absorptie van energie en verspreidde de terugslag over de hele populatie deeltjes.
Met deze resultaten kunnen andere onderzoekers holtes ontwerpen om terugslag en andere effecten van buitenaf te dempen in een breed scala aan experimenten, wat natuurkundigen kan helpen complexe systemen beter te begrijpen of nieuwe aspecten van de kwantumfysica te ontdekken. Een verbeterd caviteitsontwerp zou ook nauwkeurigere simulaties van supergeleiding mogelijk kunnen maken, zoals in het geval van de Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) crossover of hoogenergetische fysieke systemen.
Voor de eerste keer werd waargenomen dat de interactie tussen momentum en uitwisseling een eenassige twisting (OAT) dynamiek induceert, een aspect van kwantumverstrengeling, tussen atomaire momentumtoestanden. OAT fungeert als een kwantumvlecht voor het verstrengelen van verschillende moleculen, terwijl elke kwantumtoestand verwrongen raakt en verbonden wordt met een ander deeltje.
Voorheen werd OAT alleen gezien in interne atomaire toestanden, maar nu, met deze nieuwe resultaten, wordt aangenomen dat OAT, geïnduceerd door momentumuitwisseling, de kwantumruis van meerdere atomen zou kunnen helpen verminderen. Het kunnen verstrengelen van momentumtoestanden zou ook kunnen leiden tot verbetering van sommige fysieke metingen door kwantumsensoren, zoals zwaartekrachtsgolven.
Gebruik maken van een dichtheidsrooster
Binnen deze nieuwe studie, geïnspireerd door eerder onderzoek van Thompson en zijn team, onderzochten de onderzoekers de effecten van kwantumsuperpositie, waardoor deeltjes zoals fotonen of elektronen tegelijkertijd in meerdere kwantumtoestanden kunnen bestaan.
"In dit [nieuwe] project delen de atomen allemaal hetzelfde spinlabel; het enige verschil is dat elk atoom zich in een superpositie bevindt tussen twee momentumtoestanden", legt promovendus en eerste auteur Chengyi Luo uit.
De onderzoekers ontdekten dat ze de atomaire terugslag beter konden beheersen door de atomen te dwingen fotonen en de bijbehorende energieën uit te wisselen. Net als bij een spelletje trefbal kan één atoom een 'trefbal' (een foton) 'gooien' en in de tegenovergestelde richting terugdeinzen. Die "trefbal" kan worden opgevangen door een tweede atoom, wat voor dit tweede atoom dezelfde hoeveelheid terugslag kan veroorzaken. Dit elimineert de twee terugslagen die beide atomen ervaren en maakt het gemiddelde voor het gehele holtesysteem.
Wanneer twee atomen hun verschillende fotonenergieën uitwisselen, vormt het resulterende golfpakket (de golfverdeling van een atoom) in superpositie een momentumgrafiek die bekend staat als een dichtheidsrooster en die eruitziet als een kam met fijne tanden.
Luo voegde eraan toe:"De vorming van het dichtheidsrooster geeft aan dat twee momentumtoestanden [binnen het atoom] 'coherent' met elkaar zijn, zodat ze [met elkaar] kunnen interfereren." De onderzoekers ontdekten dat de uitwisseling van fotonen tussen atomen een binding van de golfpakketten van de twee atomen veroorzaakte, waardoor het niet langer afzonderlijke metingen waren.
De onderzoekers zouden momentumuitwisseling kunnen veroorzaken door de wisselwerking tussen het dichtheidsrooster en de optische holte te onderzoeken. Omdat de atomen energie uitwisselden, werd elke terugslag van het absorberen van een foton verspreid over de hele gemeenschap van atomen in plaats van over individuele deeltjes.
De Dopplerverschuiving dempen
Met behulp van deze nieuwe controlemethode ontdekten de onderzoekers dat ze dit terugslagdempende systeem ook konden gebruiken om een afzonderlijk meetprobleem te verminderen:de Dopplerverschuiving.
De Dopplerverschuiving, een fenomeen in de klassieke natuurkunde, verklaart waarom het geluid van een sirene of treinhoorn van toon verandert als het een luisteraar passeert, of waarom bepaalde sterren rood of blauw verschijnen in beelden van de nachtelijke hemel. Het is de verandering in de frequentie van de golf als de bron en waarnemer bewegen zich naar elkaar toe (of van elkaar af). In de kwantumfysica beschrijft de Dopplerverschuiving de energieverandering van een deeltje als gevolg van relatieve beweging.
Voor onderzoekers als Luo kan de Dopplerverschuiving een uitdaging zijn om een nauwkeurige meting te verkrijgen. "Bij het absorberen van fotonen zal de atomaire terugslag leiden tot een Dopplerverschuiving van de frequentie van het foton, wat een groot probleem is als je het hebt over precisiespectroscopie", legde hij uit. Door hun nieuwe methode te simuleren, ontdekten de onderzoekers dat deze de scheeftrekking van de metingen als gevolg van Doppler Shift kon overwinnen.
Verwarrende momentumuitwisseling
De onderzoekers ontdekten ook dat de momentumuitwisseling tussen deze atomen kan worden gebruikt als een soort kwantumverstrengeling. Zoals John Wilson, een afgestudeerde student van de Holland-groep, zei:‘Als een atoom valt, beweegt zijn beweging de frequentie van de holte. Dat moedigt op zijn beurt andere atomen aan om dat feedbackmechanisme collectief te voelen en zet hen ertoe aan hun beweging via de holte te correleren. gedeelde wiebels."
Om deze ‘verstrengeling’ nog verder te testen, creëerden de onderzoekers een grotere scheiding tussen de momentumtoestanden van de atomen en induceerden ze vervolgens de momentumuitwisseling. De onderzoekers ontdekten dat de atomen zich bleven gedragen alsof ze met elkaar verbonden waren. "Dit geeft aan dat de twee momentumtoestanden werkelijk ten opzichte van elkaar oscilleren alsof ze met elkaar verbonden zijn door een veer", voegde Luo eraan toe.
Vooruitkijkend zijn de onderzoekers van plan deze nieuwe vorm van kwantumverstrengeling verder te onderzoeken, in de hoop beter te begrijpen hoe deze kan worden gebruikt om verschillende soorten kwantumapparaten te verbeteren.