Los investigadores de JILA, por primera vez, aislaron grupos de unos pocos átomos y midieron con precisión sus interacciones de partículas múltiples dentro de un reloj atómico. El avance ayudará a los científicos a controlar la materia cuántica que interactúa, lo que se espera que aumente el rendimiento de los relojes atómicos, muchos otros tipos de sensores y sistemas de información cuántica.
La investigación se describe en a Naturaleza artículo publicado en línea a principios del 31 de octubre. JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
los científicos del NIST han estado prediciendo la física de "muchos cuerpos" y sus beneficios durante años, pero el nuevo trabajo de JILA proporciona la primera evidencia cuantitativa de exactamente qué sucede cuando se juntan unos pocos fermiones: átomos que no pueden estar en el mismo estado cuántico yubicación al mismo tiempo.
"Estamos tratando de entender el surgimiento de la complejidad cuando múltiples partículas - aquí los átomos - interactúan entre sí", dijo Jun Ye, miembro del NIST y JILA. "Aunque podamos entender perfectamente las reglas sobre cómo interactúan dos átomos,cuando se unen múltiples átomos siempre hay sorpresas. Queremos entender las sorpresas cuantitativamente ".
Las mejores herramientas de hoy para medir cantidades como el tiempo y la frecuencia se basan en el control de partículas cuánticas individuales. Este es el caso incluso cuando se usan conjuntos de miles de átomos en un reloj atómico. Estas mediciones se están acercando al llamado cuántico estándarlímite: un "muro" que impide mejoras adicionales utilizando partículas independientes.
Aprovechar las interacciones de muchas partículas podría empujar esa pared hacia atrás o incluso romperla, porque un estado cuántico diseñado podría suprimir las colisiones de átomos y proteger los estados cuánticos contra la interferencia o el ruido. Además, los átomos en tales sistemas podrían organizarse para cancelarel ruido cuántico de cada uno de modo que los sensores mejorarían a medida que se agregaran más átomos, prometiendo saltos significativos en la precisión y la capacidad de transporte de datos.
En la nueva investigación, el equipo de JILA usó su reloj de celosía de estroncio tridimensional], que ofrece un control de átomos preciso. Crearon matrices de entre uno y cinco átomos por celda de celosía, y luego usaron un láser para ajustar el reloj., "o cambiar a una frecuencia específica entre dos niveles de energía en los átomos. La nueva técnica de imagen de JILA se utilizó para medir los estados cuánticos de los átomos.
Los investigadores observaron resultados inesperados cuando tres o más átomos estaban juntos en una célula. Los resultados fueron no lineales o impredecibles basados en la experiencia pasada, un sello distintivo de las interacciones de múltiples partículas. Los investigadores combinaron sus mediciones con predicciones teóricas de los colegas de NIST AnaMaria Rey y Paul Julienne para concluir que ocurrieron interacciones de partículas múltiples.
Específicamente, la frecuencia del reloj cambió de manera inesperada cuando tres o más átomos estaban en un sitio de red. El cambio es diferente de lo que uno esperaría al sumar varios pares de átomos. Por ejemplo, cinco átomos por celda causaron un cambio de20 por ciento en comparación con lo que normalmente se esperaría.
"Una vez que obtienes tres átomos por celda, las reglas cambian", dijo Ye. Esto se debe a que los espines nucleares y las configuraciones electrónicas de los átomos juegan juntos para determinar el estado cuántico general, y todos los átomos pueden interactuar simultáneamente en lugar de en unmoda de pareja, dijo.
Los efectos de partículas múltiples también aparecieron en celdas de celosía abarrotadas en forma de un proceso inusual de descomposición rápida. Dos átomos por tríada formaron una molécula y un átomo permaneció suelto, pero todos tenían suficiente energía para escapar de la trampa. Por el contrario, unEs probable que un solo átomo permanezca en una célula durante mucho más tiempo, dijo Ye.
"Lo que esto significa es que podemos asegurarnos de que solo hay un átomo por celda en nuestro reloj atómico", dijo Ye. "La comprensión de estos procesos nos permitirá encontrar una mejor ruta para hacer mejores relojes, ya que las partículas inevitablementeinteractuará si empacamos lo suficiente para mejorar la intensidad de la señal "
El equipo de JILA también descubrió que empaquetar tres o más átomos en una célula podría dar como resultado estados altamente entrelazados de larga duración, lo que significa que las propiedades cuánticas de los átomos estaban vinculadas de manera estable. Este método simple de enredar múltiples átomos puede ser unrecurso útil para el procesamiento de información cuántica.
Esta investigación es apoyada por el NIST, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación del Ejército, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencia y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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