17:59 2024-05-02 science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu

_ Răsucirea și legarea undelor de materie cu fotoni într-o cavitate

_ Răsucirea și legarea materiei unde cu fotoni într-o cavitate

Măsurarea cu precizie a stărilor energetice ale atomilor individuali a fost o provocare istorică pentru fizicieni din cauza reculului atomic. Când un atom interacționează cu un foton, atomul „se retrage” în direcția opusă, ceea ce face dificilă măsurarea cu precizie a poziției și impulsului atomului. Acest recul poate avea implicații mari pentru detecția cuantică, care detectează modificări minuscule ale parametrilor, de exemplu, folosind modificări ale undelor gravitaționale pentru a determina forma Pământului sau chiar pentru a detecta materia întunecată.

Într-o nouă lucrare publicată. în Știință, JILA și NIST Fellows Ana Maria Rey și James Thompson, JILA Fellow Murray Holland și echipele lor au propus o modalitate de a depăși acest recul atomic prin demonstrarea unui nou tip de interacțiune atomică numită interacțiune cu schimb de impuls, în care atomii își schimbau impulsurile prin schimbând fotoni corespunzători.

Folosind o cavitate – un spațiu închis compus din oglinzi – cercetătorii au observat că recul atomic a fost atenuat de atomii care schimbau stări de energie în spațiul restrâns. Acest proces a creat o absorbție colectivă de energie și a dispersat recul în întreaga populație de particule.

Cu aceste rezultate, alți cercetători pot proiecta cavități pentru a atenua recul și alte efecte externe într-o gamă largă de experimente, care poate ajuta fizicienii să înțeleagă mai bine sistemele complexe sau să descopere noi aspecte ale fizicii cuantice. Un design îmbunătățit al cavității ar putea permite, de asemenea, simulări mai precise ale supraconductivității, cum ar fi în cazul crossover-ului Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) sau a sistemelor fizice de înaltă energie.

Pentru prima dată, s-a observat că interacțiunea de schimb de impuls induce dinamica de răsucire a unei singure axe (OAT), un aspect al întanglementării cuantice, între stările de impuls atomic. OAT acționează ca o împletitură cuantică pentru încurcarea diferitelor molecule, deoarece fiecare stare cuantică este răsucită și conectată la o altă particulă.

Anterior, OAT era văzută doar în stări interne atomice, dar acum, cu aceste noi rezultate, se crede că OAT indus de schimbul de impuls ar putea ajuta la reducerea zgomotului cuantic de la mai mulți atomi. Capacitatea de a încurca stările de impuls ar putea duce, de asemenea, la îmbunătățirea unor măsurători fizice prin senzori cuantici, cum ar fi undele gravitaționale.

În cadrul acestui nou studiu, inspirat de cercetările anterioare ale lui Thompson și echipa sa, cercetătorii au examinat efectele suprapunerii cuantice, care permite particulelor precum fotonii sau electronii să existe în mai multe stări cuantice simultan.

„În acest [nou] proiect, atomii au toți aceeași etichetă de spin; singura diferență este că fiecare atomul se află într-o suprapunere între două stări de impuls”, a explicat studentul absolvent și primul autor Chengyi Luo.

Cercetătorii au descoperit că ar putea controla mai bine recul atomic, forțând atomii să facă schimb de fotoni și energiile asociate acestora. Similar unui joc de dodgeball, un atom poate „arunca” o „dodgeball” (un foton) și se poate retrage în direcția opusă. Acea „minge de eschivă” poate fi prinsă de un al doilea atom, ceea ce poate provoca aceeași cantitate de recul pentru acest al doilea atom. Acest lucru anulează cele două recul experimentate de ambii atomi și le face o medie pentru întregul sistem de cavități.

Când doi atomi își schimbă energiile fotonice diferite, pachetul de undă rezultat (distribuția undelor unui atom) în suprapunere formează un impuls. grafic cunoscut sub numele de rețea de densitate, care arată ca un pieptene cu dinți fin.

Luo a adăugat: „Formarea rețelei de densitate indică două stări de impuls [în interiorul atomului] sunt „coerente” una cu cealaltă, astfel că ar putea interfera [una cu cealaltă]”. Cercetătorii au descoperit că schimbul de fotoni între atomi a provocat o legare a pachetelor de unde ale celor doi atomi, astfel încât acestea nu mai erau măsurători separate.

Cercetătorii ar putea induce schimbul de impuls prin explorarea interacțiunii dintre rețeaua de densitate și cavitatea optică. Deoarece atomii au schimbat energie, orice recul de la absorbția unui foton a fost dispersat în întreaga comunitate de atomi în loc de particule individuale.

Folosind această nouă metodă de control, cercetătorii au descoperit că ar putea folosi și această amortizare a reculului. sistem pentru a ajuta la atenuarea unei probleme separate de măsurare: schimbarea Doppler.

Deplasarea Doppler, un fenomen în fizica clasică, explică de ce sunetul unei sirene sau al claxonului trenului își schimbă înălțimea pe lângă un ascultător sau de ce anume stelele apar roșii sau albastre în imaginile cu cerul nopții - este schimbarea frecvenței undei pe măsură ce sursa și observatorul se deplasează unul spre celălalt (sau se îndepărtează). În fizica cuantică, deplasarea Doppler descrie schimbarea energiei unei particule datorită mișcării relative.

Pentru cercetători precum Luo, schimbarea Doppler poate fi o provocare de depășit în obținerea unei măsurători precise. „La absorbția fotonilor, recul atomic va duce la o schimbare Doppler a frecvenței fotonului, ceea ce este o mare problemă atunci când vorbiți despre spectroscopie de precizie”, a explicat el. Simulând noua lor metodă, cercetătorii au descoperit că aceasta ar putea depăși deformarea măsurătorilor din cauza deplasării Doppler.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că schimbul de impuls între acești atomi ar putea fi folosit ca un tip de încrucișare cuantică. După cum a spus John Wilson, un student absolvent în grupul Holland, „Pe măsură ce un atom cade, mișcarea lui schimbă frecvența cavității. Aceasta, la rândul său, încurajează alți atomi să simtă în mod colectiv acel mecanism de feedback și îi determină să coreleze mișcarea prin intermediul oscilări comune.”

Pentru a testa această „încurcătură” și mai departe, cercetătorii au creat o separare mai mare între stările de impuls ale atomilor și apoi au indus schimbul de impuls. Cercetătorii au descoperit că atomii au continuat să se comporte ca și cum ar fi conectați. „Acest lucru indică faptul că cele două stări de impuls oscilează într-adevăr una în legătură cu cealaltă, ca și cum ar fi conectate printr-un arc”, a adăugat Luo.

Privind în viitor, cercetătorii intenționează să cerceteze în continuare această nouă formă de încrucișare cuantică, sperând pentru a înțelege mai bine cum poate fi utilizat pentru a îmbunătăți diferite tipuri de dispozitive cuantice.

(Fluierul)

Inapoi