物理学家将原子排列得非常近

接近是许多量子现象的关键，因为当粒子靠近时，原子之间的相互作用会更强。在许多量子模拟器中，科学家将原子排列得尽可能近，以探索物质的奇异状态并构建新的量子材料。

他们通常通过将原子冷却到静止状态来做到这一点，然后使用激光将粒子定位到相距500纳米的位置 – 这是由光波长设定的限制。现在，麻省理工学院的物理学家已经开发出一种技术，使他们能够将原子排列得更近，小到只有50纳米。就上下文而言，红细胞的宽度约为 1,000 纳米。

物理学家在镝的实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们使用新方法来操纵两层镝原子，并将两层精确地定位在50纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用比各层相隔500纳米时强1000倍。

更重要的是，科学家们能够测量到由原子接近引起的两种新效应。它们增强的磁力导致“热化”，即热量从一层传递到另一层，以及层之间的同步振荡。随着各层之间的距离越来越远，这些影响逐渐消失。

“我们已经从将原子定位到相距50纳米，你可以做很多事情，”麻省理工学院约翰·麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈·凯特尔说。“在50纳米时，原子的行为是如此不同，以至于我们真的在这里进入了一个新的状态。

凯特尔和他的同事们说，这种新方法可以应用于许多其他原子来研究量子现象。就他们而言，该小组计划使用该技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的配置，这是新型量子计算机的关键构建块。

该团队今天在 《科学》杂志上发表了他们的研究结果。该研究的合著者包括主要作者和物理学研究生Li Du，以及Pierre Barral，Michael Cantara，Julius de Hond和Yu-Kun Lu，他们都是麻省理工学院 – 哈佛大学超冷原子中心，物理系和麻省理工学院电子研究实验室的成员。

高峰和低谷

为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子圈入光学陷阱中。

激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光可以塑造成的最小图案限制为通常为 500 纳米，即所谓的光学分辨率限制。由于原子被特定频率的激光吸引，因此原子将位于激光强度的峰值点。出于这个原因，现有的技术在定位原子粒子的距离上受到限制，并且不能用于探索在更短距离内发生的现象。

“传统技术停留在500纳米，不受原子的限制，而是受光波长的限制，”Ketterle解释道。“我们现在找到了一种新的光技巧，我们可以突破这个极限。

该团队的新方法与目前的技术一样，首先将一团原子冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高一根头发 – 此时，原子几乎停滞不前。然后，物理学家可以使用激光将冷冻粒子移动到所需的配置中。

然后，Du和他的合作者使用两束激光束，每束激光具有不同的频率或颜色，以及圆偏振或激光电场的方向。当两束光束穿过过冷的原子云时，原子可以按照两个激光器中的任何一个的偏振方向向相反的方向旋转。结果是光束产生两组相同的原子，只是具有相反的自旋。

每束激光形成驻波，即空间周期为500纳米的电场强度的周期性模式。由于它们不同的极化，每个驻波都会吸引并包围两组原子中的一组，这取决于它们的自旋。激光器可以叠加和调谐，使它们各自的峰之间的距离小至50纳米，这意味着被每个激光器的峰所吸引的原子将相隔相同的50纳米。

但为了做到这一点，激光器必须非常稳定，并且不受所有外部噪音的影响，例如在实验中摇晃甚至呼吸。该团队意识到，他们可以通过光纤引导两个激光器来稳定它们，光纤用于将光束锁定在彼此相关的位置。

“通过光纤发送两束光束的想法意味着整个机器可能会剧烈摇晃，但两束激光束彼此之间保持绝对稳定，”杜说。

近距离磁力

作为对他们新技术的首次测试，该团队使用了镝原子 – 一种稀土金属，是元素周期表中最强的磁性元素之一，特别是在超低温下。然而，在原子尺度上，元素的磁相互作用在500纳米的距离上也相对较弱。与普通的冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术可以将镝原子间隔到50纳米，他们可能会观察到磁性原子之间其他弱相互作用的出现。

“我们可能会突然产生磁相互作用，这在过去几乎是微不足道的，但现在非常强大，”Ketterle说。

该团队将他们的技术应用于镝，首先使原子过冷，然后通过两个激光将原子分裂成两个自旋基团或层。然后，他们引导激光通过光纤来稳定它们，并发现确实，两层镝原子被吸引到它们各自的激光峰上，这实际上将原子层分开了50纳米 – 这是任何超冷原子实验能够达到的最接近的距离。

在这种极近的距离下，原子的自然磁相互作用显着增强，并且比它们相距500纳米时强1000倍。研究小组观察到，这些相互作用导致了两种新的量子现象：集体振荡，其中一层的振动导致另一层同步振动;和热化，其中一层纯粹通过原子中的磁波动将热量传递到另一层。

“到目前为止，原子之间的热量只有在它们处于同一物理空间并且可能碰撞时才能交换，”杜指出。“现在我们已经看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。

该团队的结果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子定位在附近。他们还表明，放置得足够近的原子可以表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来构建新的量子材料，并有可能为量子计算机提供磁驱动的原子系统。

“我们真的将超分辨率方法带到了该领域，它将成为进行量子模拟的通用工具，”Ketterle说。“有很多可能的变体，我们正在研究。

这项研究部分由美国国家科学基金会和国防部资助。