Oamenii de știință au strivit două straturi de atomi magnetici ultrareci la o distanță de 50 de nanometri unul de celălalt – de 10 ori mai aproape decât în experimentele anterioare – dezvăluind efecte cuantice bizare nemaivăzute până acum.
Apropierea extremă a acestor atomi va permite cercetătorilor să studieze interacțiunile cuantice la această scară de lungime pentru prima dată și ar putea duce la progrese importante în dezvoltarea supraconductorilor și calculatoare cuanticeau raportat oamenii de știință într-un nou studiu publicat pe 2 mai în jurnal Ştiinţă.
Comportamentele cuantice neobișnuite încep să apară la temperaturi ultrareci, deoarece atomii sunt forțați să ocupe cea mai scăzută stare de energie posibilă. „În regimul nanokelvin, există un tip de materie numită Condens Bose Einstein [in which] toate particulele se comportă ca niște unde” Li Du, fizician la MIT și autor principal al studiului, a declarat pentru Live Science. „Practic sunt mecanică cuantică obiecte.”
Interacțiunile dintre aceste sisteme izolate sunt deosebit de importante pentru înțelegerea fenomenelor cuantice precum supraconductivitate si superradiante. Dar puterea acestor interacțiuni depinde de obicei de distanța de separare, ceea ce poate crea probleme practice pentru cercetătorii care studiază aceste efecte; experimentele lor sunt limitate de cât de aproape pot ajunge atomii.
„Majoritatea atomilor utilizați în experimentele la rece, cum ar fi metalele alcaline, trebuie să aibă contact pentru a interacționa”, a spus Du. „Suntem interesați de atomii de disproziu, care sunt speciali [in that they] pot interacționa între ele la distanță lungă prin interacțiuni dipol-dipol [weak attractive forces between partial charges on adjacent atoms]. Dar, deși există această interacțiune pe distanță lungă, există încă unele tipuri de fenomene cuantice care nu pot fi realizate, deoarece această interacțiune dipol este atât de slabă.”
Legate de: În căutarea de 20 de ani de a dezlega tărâmul bizar al „superchimiei cuantice”
Aduce frig atomi în apropiere, menținând în același timp controlul asupra stărilor lor cuantice, este o provocare semnificativă și, până acum, limitările experimentale i-au împiedicat pe cercetători să testeze pe deplin predicțiile teoretice despre efectele acestor interacțiuni cuantice.
„În experimentele obișnuite, prindem atomi cu lumină, iar acest lucru este limitat de limita de difracție – de ordinul a 500 de nanometri”, a spus Du. (Pentru comparație, un păr uman măsoară între 80.000 – 100.000 de nanometri lățime, conform Inițiativa Națională de Nanotehnologie.)
Folosind un fascicul laser focalizat printr-o lentilă, cercetătorii pot crea un „punct focal gaussian”, care este ca o energie în interiorul fasciculului laser care prinde anumiți atomi în poziție. Aceasta este cunoscută sub numele de pensetă optică, dar dimensiunea pensetei (lățimea puțului de energie) este limitată de lungimea de undă a luminii laser. Această lățime minimă se numește limită de difracție.
Echipa lui Du a venit cu un truc inteligent pentru a depăși această limită de difracție, folosind o altă proprietate cuantică a atomilor de disproziu: spinul lor. Spinul atomic poate îndrepta fie în sus, fie în jos, dar, în mod esențial, au energii ușor diferite. Aceasta înseamnă că echipa ar putea folosi două fascicule laser diferite la frecvențe și unghiuri de polarizare ușor diferite pentru a capta separat spin-up și spin-down atomilor de disproziu.
„Dacă atomul A nu vede lumina B și atomul B nu vede lumina A, ei au practic control independent”, a explicat el. „Deoarece atomii stau întotdeauna exact în centrul fasciculului gaussian, vă puteți mișca [the two different trapped particles] Apropiat în mod arbitrar.” Controlând cu atenție cele două pensete optice, echipa lui Du a adus atomii de disproziu în sus și în jos la o distanță de 50 de nanometri unul de celălalt, crescând puterea de interacțiune de 1.000 de ori de la nivelurile de 500 de nanometri.
Cu acest strat dublu stabilit, echipa a început o serie de experimente pentru a studia interacțiunile cuantice la distanță apropiată. Au încălzit unul dintre straturile de disproziu, complet separat de celălalt printr-un spațiu de vid. Incredibil, au observat transferul de căldură către al doilea strat prin spațiul gol.
„De obicei, ai nevoie de contact sau radiație pentru transferul de căldură, ceea ce nu avem aici”, a spus Du. „Dar încă vedem transferul de căldură, iar acest lucru trebuie să se datoreze interacțiunilor dipol-dipol pe distanță lungă”.
Transferul de căldură aparent imposibil a fost doar unul dintre efectele bizare pe care echipa le-a studiat. Acum, ei sunt dornici să exploreze în continuare potențialul interacțiunilor cuantice la această scară. Grupul începe deja să studieze modul în care aceste două straturi interacționează cu lumina. Dar Du este interesat în special de un alt efect cuantic, numit perechea Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) – o stare legată cuantică experimentată de unele particule subatomice numite fermioni la temperaturi scăzute.
„Perechea BCS între straturi este foarte importantă pentru supraconductivitate”, a spus el. „În urmă cu câțiva ani, o lucrare teoretică a prezis că, dacă avem acest tip de sistem cu două straturi, cuplate de interacțiuni dipol-dipol cu rază lungă de acțiune, ați putea forma o pereche BCS. Anterior nu puteam să vedem acest lucru experimental, dar acum ar putea fi posibil cu sistemul nostru.”