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JILA的研究人员发现量子物质相互作用的迹象

发布时间:2020-03-23 14:17人气:

这些假色图片显示了JILA(美国天体物理联合实验室)锶晶格原子钟的不同晶胞中原子数(从1到5,从左到右)和密度的变化。JILA的研究人员观察到,当三个或更多的原子占据一个晶胞时,由于多粒子相互作用的出现,时钟频率发生了变化。

JILA的研究人员首次分离出由多个原子组成的原子群,并精确测量了它们在原子钟内的多粒子相互作用。这一进展将有助于科学家控制相互作用的量子物质,这有望提高原子钟、许多其他类型的传感器和量子信息系统的性能。

2018年10月31日,这项研究在期刊《自然(Nature)》的网络版上发表。JILA由美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

NIST的科学家们多年来一直在预测“多体”物理学及其益处,但JILA的最新研究首次提供了定量证据,证明当一些费米原子(不能同时处于相同的量子态和相同的位置的原子)聚集在一起时会发生什么。

“我们试图去理解当多个粒子(此处即指原子)相互作用时所出现的复杂性,”同属NIST、JILA的研究员Jun Ye说。“尽管我们可能完全理解两个原子如何相互作用的规则,但当多个原子聚集在一起时,总是会有惊喜。我们希望以定量的方式理解这些惊喜。”

当今用于测量时间和频率等物理量的最佳工具是基于对单个量子粒子的控制。即使是原子钟这种需要使用成千上万个原子的整体,情况也是如此。这些测量正在接近所谓的标准量子极限,即一堵阻止使用独立粒子进行进一步改进的“墙”。

利用多粒子的相互作用可以把这堵墙推回去,甚至打破它,因为一个工程量子态可以抑制原子碰撞,保护量子态不受干扰或噪声的扰乱。此外,这些系统中的原子可以相互抵消彼此的量子噪声,这样,随着更多原子的加入,传感器会变得更好,从而有望在精度和数据承载能力方面实现重大飞跃。

在这项新的研究中,JILA团队使用了三维锶晶格时钟,它可以提供精确的原子控制。他们在每个晶胞中创建了1到5个原子的阵列,然后使用激光来设置时钟的“滴答”走动,也就是在原子的两个能级之间以特定的频率进行切换。在测量原子的量子态时,还需要用到JILA的一项新成像技术。

研究人员观察到,当3个或3个以上的原子在一个晶胞里时,意想不到的结果出现了。结果是非线性的,也就是说无法根据以往的经验来进行预测,这是多粒子相互作用的标志。研究人员将他们的测量结果与NIST的同事Ana Maria Rey和Paul Julienne的理论预测相结合,得出了多粒子相互作用的结论。

具体来说,当3个或3个以上原子在一个晶格点时,时钟的频率会以意想不到的方式改变。这种转变可不是将各种原子对的作用加在一起那么简单。例如,每个晶胞有5个原子,与正常情况下的预期相比,会造成20%的偏移。

“一旦每个晶胞有3个原子,规则就改变了,”Ye说。这是因为原子的核自旋和电子排布一起决定了整体的量子态,而且所有这些原子可以同时相互作用,而不是以成对的形式作用。

多粒子效应以一种不寻常的快速衰变过程的形式出现在拥挤的晶胞中。每个三元组有两个原子形成一个分子,一个原子保持松散,但所有原子都有足够的能量逃脱原子阱。Ye认为,相比之下,单个原子可能在一个晶胞中停留更长的时间。

“这意味着,我们可以确保原子钟里的每个晶胞只有一个原子,”Ye说。“了解这些过程将使我们找到更好的方法来制造更好的时钟,因为如果我们在近旁封装足够多的粒子来提高信号强度,这些粒子将不可避免地产生相互作用。”

JILA团队还发现,将三个或更多的原子装入一个晶胞可能会导致长期的高度纠缠态,这意味着原子的量子特性以一种稳定的方式联系在一起。这种纠缠多个原子的简单方法可能是用于量子信息处理的有用资源。

这项研究得到了NIST、美国国防部高级研究计划局、陆军研究办公室、空军科研办公室、国家科学基金会及国家航空航天局的支持。
本文由深圳计量公司推出。

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