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观察到量子物质的交互形式的迹象

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-02-18浏览次数:1545

JILA研究人员首次在原子钟中分离了几个原子,并准确测量了它们的多粒子相互作用。这一进步将有助于科学家控制量子物质的相互作用,这有望改善原子钟,许多其他类型的传感器和量子信息系统的性能。该研究在10月31日早期在线发表的一篇自然文章中有所描述.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运营。

NIST科学家多年来一直在预测“多体”物理及其益处,但新的JILA工作提供了几个费米子组合时发生的事情的第一个定量证据 - 原子不能处于相同的量子态和位置时间。 NIST和JILA研究员Jun Ye说:“当多个粒子 - 原子在这里相互作用时,我们试图理解复杂性的出现。” “虽然我们可以完全理解两个原子如何相互作用的规则,但当多个原子结合在一起时,总会有惊喜。我们希望能够定量地理解这些惊喜。”

今天用于测量诸如时间和频率的量的最佳工具是基于单个量子粒子的控制。即使在原子钟中使用数千个原子的集合也是如此。这些测量接近所谓的标准量子极限 - 一个阻止使用独立粒子进一步改进的“壁”。多粒子相互作用可用于推回或甚至突破墙壁,因为工程量子态可以抑制原子碰撞并保护量子态免受干扰或噪声。此外,这些系统中的原子可以被安排来抵消彼此的量子噪声,因此随着更多原子的添加,传感器将变得更好,实现精度和数据承载能力的显着飞跃。

在这项新研究中,JILA团队使用他们的三维锶晶格时钟来提供精确的原子控制。它们为每个网格单元创建一个包含一到五个原子的数组,然后使用激光将时钟设置为“滴答”或在特定频率下在原子中的两个级别之间切换。 JILA的新成像技术用于测量原子的量子态。当三个或更多原子在一起时,研究人员观察到意想不到的结果。根据过去的经验,结果是非线性或不可预测的,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同事Ana Maria Rey和Paul Julienne的理论预测相结合,以实现多粒子相互作用。

具体地,当三个或更多个原子处于晶格位置时,时钟的频率以意外的方式移动。这种转变不同于各种原子对的总结。例如,与通常预期的相比,每个细胞五个原子导致20%的变化。 “一旦你每个细胞得到三个原子,规则就会改变,”叶说。他说,这是因为原子的核自旋和电子配置共同决定了整体量子态,原子可以全部相互作用而不是成对相互作用。

多颗粒效应也以非常快速的衰变过程的形式出现在拥挤的晶格细胞中。每个三联体中的两个原子形成一个分子,一个原子保持松散,但有足够的能量逃离陷阱。相反,单个原子可能会在细胞中停留更长的时间,Ye说。 “这意味着我们可以确保原子钟中每个单元只有一个原子,”Ye说。 “了解这些过程将使我们能够找到更好的时钟来改善时钟,因为如果我们在附近放置足够的时间来增加信号强度,那么粒子将不可避免地相互作用。”

JILA团队还发现,将三个或更多个原子封装成一个单元可以产生长寿命,高度纠缠的状态,这意味着原子的量子特性以稳定的方式相关。这种多原子纠缠的简单方法可能是量子信息处理的有用资源。该研究得到了NIST,国防高级研究计划局,陆军研究办公室,空军科学研究办公室,国家科学基金会和美国宇航局的支持。