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量子模拟突破:原子间距缩小至50纳米

为探索奇异物质态、构建新量子材料提供可能

2024-05-06 科技日报 张佳欣
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研究人员开发出一种技术,可以将原子排列间隔缩小至50纳米。图片来源:物理学家组织网

利用量子模拟器将原子尽可能紧密地排列在一起,有助科学家探索奇异物质状态,构建新型量子材料。传统上,这些模拟器捕获原子的间隔至少为500纳米。现在,美国麻省理工学院研究人员开发出一种新技术,突破了这一限制,将原子间距离缩小到原来的1/10,相距仅50纳米。相关研究发表在最新一期《科学》杂志上。

在量子力学领域,邻近性占据主导地位。原子越近,它们的相互作用就越强。为了操纵和排列原子,科学家通常先将一团原子云冷却到接近绝对零度,然后使用激光束系统将原子限制在光陷阱中。此次,研究团队首先将原子云冷却到大约1微开尔文,仅比绝对零度高一点点,此时原子几乎处于静止状态。然后,他们用激光将冷冻粒子移动到所需位置。

研究人员使用了两束具有不同频率(颜色)和偏振角度的激光。当两束光穿过超冷原子云时,原子会沿着两束激光的偏振方向调整自旋方向,使光束产生两组相同原子,但是自旋相反。

每束激光形成一个驻波,即电场强度在空间上呈周期性变化的图案,其空间周期为500纳米。由于它们的偏振不同,每个驻波都会吸引和聚集两组原子中的一组,这取决于它们的自旋。激光可重叠和调谐,使得它们各自的峰值之间距离只有50纳米,这意味着每个激光峰值所吸引的原子将以同样的50纳米隔开。

实验中所用原子为镝,镝是自然界最具磁性的原子之一。研究团队用这种新方法操纵两层镝原子,并将两层之间的距离精确地定位为50纳米。在这种极近距离下,磁相互作用比两层之间相隔500纳米的情况强1000倍。

研究团队发现,因原子接近而增强的磁力会导致“热化”,即热量从一层传递到另一层,以及各层之间的同步振荡。当层之间的距离拉大,这些效应就会逐渐减弱。

研究人员表示,新技术还可用其他原子来研究量子现象。他们计划用该技术来操纵原子,使其形成一个纯磁性量子门,这是一种新型量子计算机的关键组成部分。

打印 责任编辑:梁春雨

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