Ученые сближают атомы, что может навсегда изменить квантовую физику

Кембридж, Массачусетс – Может ли сближение атомов ближе, чем когда-либо прежде, открыть дверь для следующего квантового прорыва? Физики из Массачусетского технологического института разработали новую технику, которая позволяет им располагать атомы в два отдельных слоя, разделенных всего 50 нанометрами, что примерно в 2000 раз тоньше человеческого волоса. Это огромное достижение открывает захватывающие возможности для изучения экзотических квантовых явлений и разработки новых технологий.

Исследование, опубликованное в Науки Под руководством профессора Вольфганга Кеттерле лазерный свет был использован для улавливания атомов диспрозия и охлаждения их до чрезвычайно низких температур, близких к абсолютному нулю. В этих экстремальных условиях атомы ведут себя скорее как волны, чем как частицы, что позволяет исследователям манипулировать ими с поразительной точностью.

Представьте себе пару невидимых листов, каждый из которых состоит из одного слоя атомов. Теперь представьте, что эти листья расположены так близко друг к другу, что почти соприкасаются, но не совсем. Это то, чего достигли ученые Массачусетского технологического института, за исключением масштабов, слишком малых для понимания.

Для сравнения: если бы атом был размером с шарик, два слоя разделяли бы всего несколько дюймов. Но поскольку атомы невероятно малы, фактическое расстояние между слоями составляет всего 50 нанометров. Это все равно, что взять два листа бумаги и разделить их одной нитью паучьего шелка.

«Мы перешли от размещения атомов на расстоянии 500 нанометров друг от друга на расстоянии 50 нанометров, и с этим можно многое сделать», — говорит в пресс-релизе Вольфганг Кеттерле, профессор физики Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте. «На 50 нанометрах поведение атомов настолько отличается, что мы действительно вступаем в новый режим».

Создание этих атомных бислоев требует хитрого трюка. Исследователи использовали два разных цвета лазерного света, каждый из которых специально настроен для взаимодействия с атомами в определенном квантовом состоянии или энергетическом уровне. Это немного похоже на два пульта дистанционного управления от телевизора, по одному на каждый слой атомов. Тщательно регулируя лазерные лучи, они смогли захватывать и перемещать атомы с нанометровой точностью.

Что делает эту установку действительно особенной, так это то, как атомы в двух слоях взаимодействуют друг с другом. Даже несмотря на то, что они физически не соприкасаются, атомы все равно могут «чувствовать» присутствие друг друга благодаря странной силе, называемой Биполярное взаимодействие. Это похоже на то, как два маленьких стержневых магнита притягивают или отталкивают друг друга даже на небольшом расстоянии.

В атомном мире эти дипольные взаимодействия могут привести ко всем видам странного и чудесного поведения. Например, исследователи заметили, что атомы в одном слое могут фактически «разговаривать» с атомами в другом слое и обмениваться энергией, как если бы они участвовали в микроскопической телефонной игре. Это явление известно как Симпатическое охлаждениеИх можно использовать для создания сверхэффективных холодильников для охлаждения квантовых компьютеров.

Но самые захватывающие возможности лежат в области фундаментальной физики. Изучая, как ведут себя атомы в этих плотно упакованных бислоях, ученые надеются получить новое представление об экзотических состояниях материи, таких как сверхтекучие жидкости и квантовые магниты. Эти материалы обладают свойствами, которые, кажется, бросают вызов законам классической физики, например, способностью течь без трения или сопротивляться изменениям магнитных полей.

В будущем атомная двухслойная установка может также использоваться в качестве платформы для разработки квантовых технологий, таких как сверхточные датчики, защищенные сети связи и мощные компьютеры, способные решать проблемы, которые не под силу ни одной классической машине. Это немного похоже на миниатюрную квантовую игровую площадку, где ученые могут играть с основными единицами материи и смотреть, какие новые инструменты они могут придумать.

Конечно, предстоит еще много работы, прежде чем эти приложения станут реальностью. Команда Массачусетского технологического института планирует провести больше экспериментов, чтобы лучше понять тонкий танец дипольных взаимодействий между атомными слоями. Они также хотят изучить, что происходит, когда атомы охлаждаются до таких низких температур, что квантовые эффекты полностью берут верх.

Но даже на этой ранней стадии результаты впечатляют. Раздвигая границы атомных манипуляций, эти исследователи дали нам возможность заглянуть в мир, который одновременно странно знаком и совершенно чужд — мир, где правила квантовой механики берут верх, и грань между наукой и научной фантастикой начинает стираться.

По мере того, как мы продолжаем исследовать эти странные и чудесные границы, становится ясно одно: будущее физики выглядит ярче, чем когда-либо, и все начинается со скромной пары атомных пластин, разделенных расстоянием настолько малым, что в это трудно поверить. Но по большому счету этот небольшой разрыв может быть просто ключом к преодолению разрыва между миром, который мы знаем, и миром, который мы только начинаем представлять.

Главный редактор StudyFinds Стив Финк внес свой вклад в подготовку этого отчета.