פריצת דרך קוונטית כאשר MIT משיגה קרבה אטומית חסרת תקדים

הטכניקה פותחת אפשרויות לחקר מצבים אקזוטיים של חומר ובניית חומרים קוונטיים חדשים.

קרבה היא המפתח עבור תופעות קוונטיות רבות, שכן אינטראקציות בין אטומים חזקות יותר כאשר החלקיקים קרובים. בסימולטורים קוונטיים רבים, מדענים מסדרים אטומים קרובים ככל האפשר זה לזה כדי לחקור מצבים אקזוטיים של חומר ולבנות חומרים קוונטיים חדשים.

פריצת דרך בהסדר האטומים

הם בדרך כלל עושים זאת על ידי קירור האטומים עד לעמידה, ואז משתמשים באור לייזר כדי למקם את החלקיקים קרוב למרחק של 500 ננומטר זה מזה – גבול שנקבע על ידי אורך הגל של האור. עַכשָׁיו, MIT פיזיקאים פיתחו טכניקה המאפשרת להם לסדר אטומים בקרבה הרבה יותר, עד ל-50 ננומטר בלבד. להקשר, רוחב כדורית דם אדומה הוא כ-1,000 ננומטר.

הפיזיקאים הדגימו את הגישה החדשה בניסויים עם דיספרוזיום, שהוא המגנטי ביותר אָטוֹם בטבע. הם השתמשו בגישה החדשה כדי לתפעל שתי שכבות של אטומי דיספרוזיום, ומיקמו את השכבות במרחק של 50 ננומטר זה מזה בדיוק. בסמיכות קיצונית זו, האינטראקציות המגנטיות היו חזקות פי 1,000 מאשר אם השכבות היו מופרדות ב-500 ננומטר.

אפקטים מגנטיים משופרים

יתרה מכך, המדענים הצליחו למדוד שתי השפעות חדשות שנגרמו מקרבת האטומים. הכוחות המגנטיים המוגברים שלהם גרמו ל"תרמליזציה", או להעברת חום משכבה אחת לאחרת, כמו גם תנודות מסונכרנות בין שכבות. ההשפעות הללו התפוגגו כשהשכבות היו מרוחקות יותר זו מזו.

"עברנו ממיקום אטומים מ-500 ננומטר ל-50 ננומטר זה מזה, ויש הרבה שאתה יכול לעשות עם זה", אומר וולפגנג קטרל, פרופסור ג'ון ד' מקארתור לפיזיקה ב-MIT. "ב-50 ננומטר, ההתנהגות של אטומים היא כל כך שונה שאנחנו באמת נכנסים למשטר חדש כאן."

קטרל ועמיתיו אומרים שניתן ליישם את הגישה החדשה על אטומים רבים אחרים כדי לחקור תופעות קוונטיות. הקבוצה מצידה מתכננת להשתמש בטכניקה כדי לתמרן אטומים לתצורות שיכולות ליצור את השער הקוונטי המגנטי הראשון – אבן בניין מפתח לסוג חדש של מחשב קוונטי.

הצוות פרסם את תוצאותיו ב-2 במאי בכתב העת מַדָע. מחברי המחקר כוללים את הסופר הראשי והסטודנט לתואר שני בפיזיקה לי דו, יחד עם פייר בראל, מייקל קנטרה, ג'וליוס דה הונד ויו-קון לו – כולם חברים במרכז MIT-הרווארד לאטומים אולטרה-קרים, המחלקה לפיזיקה, ומעבדת המחקר לאלקטרוניקה ב-MIT.

מניפולציה של אטומים עם לייזרים

כדי לתמרן ולסדר אטומים, פיסיקאים בדרך כלל מקררים תחילה ענן של אטומים לטמפרטורות המתקרבות אפס מוחלטלאחר מכן השתמש במערכת של קרני לייזר כדי לאסוף את האטומים למלכודת אופטית.

אור לייזר הוא גל אלקטרומגנטי בעל אורך גל מסוים (המרחק בין המקסימום של השדה החשמלי) ותדירות. אורך הגל מגביל את הדפוס הקטן ביותר שלתוכו ניתן לעצב אור ל-500 ננומטר, מה שנקרא מגבלת הרזולוציה האופטית. מכיוון שאטומים נמשכים על ידי אור לייזר בתדרים מסוימים, אטומים ימוקמו בנקודות שיא עוצמת הלייזר. מסיבה זו, טכניקות קיימות הוגבלו עד כמה הן יכולות למקם חלקיקים אטומיים, ולא ניתן היה להשתמש בהן כדי לחקור תופעות המתרחשות במרחקים קצרים בהרבה.

"טכניקות קונבנציונליות נעצרות ב-500 ננומטר, מוגבלות לא על ידי האטומים אלא על ידי אורך הגל של האור", מסביר קטרל. "מצאנו עכשיו טריק חדש עם אור שבו נוכל לפרוץ את הגבול הזה."

הגישה החדשה של הצוות, כמו הטכניקות הנוכחיות, מתחילה בקירור ענן של אטומים – במקרה זה, לכ-1 מיקרוקלווין, רק שערה מעל האפס המוחלט – בשלב זה, האטומים מגיעים כמעט לעצירה. לאחר מכן, פיזיקאים יכולים להשתמש בלייזרים כדי להעביר את החלקיקים הקפואים לתצורות הרצויות.

לאחר מכן, דו ומשתפי הפעולה שלו עבדו עם שתי קרני לייזר, שלכל אחת מהן תדר, או צבע שונה, וקיטוב מעגלי, או כיוון השדה החשמלי של הלייזר. כאשר שתי האלומות עוברות דרך ענן אטומים מקורר במיוחד, האטומים יכולים לכוון את הסיבוב שלהם בכיוונים מנוגדים, בעקבות הקיטוב של שני הלייזרים. התוצאה היא שהאלומות מייצרות שתי קבוצות של אותם אטומים, רק עם ספינים מנוגדים.

כל קרן לייזר יצרה גל עומד, תבנית תקופתית של עוצמת שדה חשמלי עם תקופה מרחבית של 500 ננומטר. בשל הקיטובים השונים שלהם, כל גל עומד משך ועיבם אחת משתי קבוצות של אטומים, בהתאם לספין שלהם. ניתן היה לכסות את הלייזרים ולכוונן כך שהמרחק בין הפסגות שלהם יהיה קטן כמו 50 ננומטר, כלומר האטומים הנמשכים לפסגות של כל לייזר בהתאמה יופרדו באותם 50 ננומטר.

אבל כדי שזה יקרה, הלייזרים יצטרכו להיות יציבים במיוחד וחסינים בפני כל רעש חיצוני, כמו רעד או אפילו נשימה בניסוי. הצוות הבין שהם יכולים לייצב את שני הלייזרים על ידי הפנייתם ​​דרך סיב אופטי, ששימש לנעול את קרני האור במקומן ביחס זו לזו.

"הרעיון של שליחת שתי הקרניים דרך הסיב האופטי פירושו שהמכונה כולה יכולה לרעוד בעוצמה, אבל שתי קרני הלייזר נשארו יציבות לחלוטין זו ביחס לשנייה", אומר דו.

כוחות מגנטיים ותופעות קוונטיות

כמבחן ראשון של הטכניקה החדשה שלהם, הצוות השתמש באטומים של דיספרוזיום – מתכת אדמה נדירה שהיא אחד היסודות המגנטיים החזקים ביותר בטבלה המחזורית, במיוחד בטמפרטורות אולטרה-קרות. עם זאת, בקנה מידה של אטומים, האינטראקציות המגנטיות של היסוד חלשות יחסית במרחקים של אפילו 500 ננומטר. כמו במגנטים נפוצים למקרר, המשיכה המגנטית בין אטומים גוברת עם הקרבה, והמדענים חשדו שאם הטכניקה החדשה שלהם תוכל להרחיק אטומי דיספרוזיום קרוב למרחק של 50 ננומטר זה מזה, הם עשויים לראות את הופעתן של אינטראקציות חלשות אחרת בין האטומים המגנטיים.

"יכולות להיות לנו פתאום אינטראקציות מגנטיות, שבעבר היו כמעט זניחות אבל עכשיו הן ממש חזקות", אומר קטרל.

הצוות יישם את הטכניקה שלהם על דיספרוזיום, תחילה קירור-על של האטומים, ואז העביר שני לייזרים כדי לפצל את האטומים לשתי קבוצות ספין, או שכבות. לאחר מכן הם כיוונו את הלייזרים דרך סיב אופטי כדי לייצב אותם, וגילו שאכן, שתי השכבות של אטומי דיספרוזיום נמשכו לפסגות הלייזר שלהם, שלמעשה הפרידו בין שכבות האטומים ב-50 ננומטר – המרחק הקרוב ביותר מכל אטום אולטרה-קר. הניסוי הצליח להשיג.

בסמיכות קיצונית זו, האינטראקציות המגנטיות הטבעיות של האטומים שופרו משמעותית, והיו חזקות פי 1,000 מאשר אילו היו ממוקמים במרחק של 500 ננומטר זה מזה. הצוות ראה שהאינטראקציות הללו הביאו לשתי תופעות קוונטיות חדשות: תנודה קולקטיבית, שבה תנודות של שכבה אחת גרמו לשכבה השנייה לרטוט בסנכרון; ותרמיזציה, שבה שכבה אחת העבירה חום לשניה, אך ורק באמצעות תנודות מגנטיות באטומים.

"עד עכשיו, חום בין אטומים יכול היה להחליף רק כאשר הם היו באותו מרחב פיזי ויכולים להתנגש", מציין דו. "עכשיו ראינו שכבות אטומיות, מופרדות בוואקום, והן מחליפות חום באמצעות שדות מגנטיים משתנים".

השלכות על טכנולוגיה קוונטית

תוצאות הצוות מציגות טכניקה חדשה שניתן להשתמש בה כדי למקם סוגים רבים של אטומים בסמיכות. הם גם מראים שאטומים, הממוקמים קרוב מספיק זה לזה, יכולים להפגין תופעות קוונטיות מעניינות, שניתן לרתום לבניית חומרים קוונטיים חדשים, ואולי גם מערכות אטומיות המונעות מגנטית עבור מחשבים קוונטיים.

"אנחנו באמת מביאים לשטח שיטות רזולוציית-על, וזה יהפוך לכלי כללי לביצוע הדמיות קוונטיות", אומר קטרל. "יש הרבה גרסאות אפשריות, שעליהן אנחנו עובדים."

מחקר זה מומן, בחלקו, על ידי הקרן הלאומית למדע ומשרד ההגנה.