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技術(shù)前沿

量子模擬突破:原子間距縮小至50納米

激光制造網(wǎng) 來源:科技日報(bào)2024-05-06 我要評(píng)論(0 )   

利用量子模擬器將原子盡可能緊密地排列在一起,有助科學(xué)家探索奇異物質(zhì)狀態(tài),構(gòu)建新型量子材料。傳統(tǒng)上,這些模擬器捕獲原子的間隔至少為500納米?,F(xiàn)在,美國麻省理工學(xué)...

利用量子模擬器將原子盡可能緊密地排列在一起,有助科學(xué)家探索奇異物質(zhì)狀態(tài),構(gòu)建新型量子材料。傳統(tǒng)上,這些模擬器捕獲原子的間隔至少為500納米。現(xiàn)在,美國麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)出一種新技術(shù),突破了這一限制,將原子間距離縮小到原來的1/10,相距僅50納米。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上。

《科學(xué)》雜志論文截圖

在量子力學(xué)領(lǐng)域,鄰近性占據(jù)主導(dǎo)地位。原子越近,它們的相互作用就越強(qiáng)。為了操縱和排列原子,科學(xué)家通常先將一團(tuán)原子云冷卻到接近絕對(duì)零度,然后使用激光束系統(tǒng)將原子限制在光陷阱中。此次,研究團(tuán)隊(duì)首先將原子云冷卻到大約1微開爾文,僅比絕對(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn),此時(shí)原子幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。然后,他們用激光將冷凍粒子移動(dòng)到所需位置。

研究人員開發(fā)出一種技術(shù),可以將原子排列間隔縮小至50納米。圖片來源:物理學(xué)家組織網(wǎng)

研究人員使用了兩束具有不同頻率(顏色)和偏振角度的激光。當(dāng)兩束光穿過超冷原子云時(shí),原子會(huì)沿著兩束激光的偏振方向調(diào)整自旋方向,使光束產(chǎn)生兩組相同原子,但是自旋相反。

每束激光形成一個(gè)駐波,即電場強(qiáng)度在空間上呈周期性變化的圖案,其空間周期為500納米。由于它們的偏振不同,每個(gè)駐波都會(huì)吸引和聚集兩組原子中的一組,這取決于它們的自旋。激光可重疊和調(diào)諧,使得它們各自的峰值之間距離只有50納米,這意味著每個(gè)激光峰值所吸引的原子將以同樣的50納米隔開。

實(shí)驗(yàn)中所用原子為鏑,鏑是自然界最具磁性的原子之一。研究團(tuán)隊(duì)用這種新方法操縱兩層鏑原子,并將兩層之間的距離精確地定位為50納米。在這種極近距離下,磁相互作用比兩層之間相隔500納米的情況強(qiáng)1000倍。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),因原子接近而增強(qiáng)的磁力會(huì)導(dǎo)致“熱化”,即熱量從一層傳遞到另一層,以及各層之間的同步振蕩。當(dāng)層之間的距離拉大,這些效應(yīng)就會(huì)逐漸減弱。

研究人員表示,新技術(shù)還可用其他原子來研究量子現(xiàn)象。他們計(jì)劃用該技術(shù)來操縱原子,使其形成一個(gè)純磁性量子門,這是一種新型量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵組成部分。


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