אטומים בתוך חלל אופטי מחליפים את מצבי המומנטום שלהם על ידי "משחק תפיסה" עם פוטונים. כשהאטומים סופגים פוטונים מלייזר מופעל, כל ענן האטומים נרתע ולא האטומים הבודדים. קרדיט: Steven Burrows/Rey, Thompson, and Holland Groups, עריכה
חוקרים ב-JILA וב-NIST פיתחו טכניקה להפחתת הרתיעה האטומית במדידות קוונטיות על ידי שימוש באינטראקציות של חילופי מומנטום בתוך מערכת חללים. פריצת דרך זו יכולה לשפר משמעותית את דיוק של חיישני קוונטים ולאפשר תגליות חדשות של פיזיקת קוונטים.
בשל הרתיעה האטומית, מדידה מדויקת של מצבי האנרגיה של אטומים בודדים הייתה אתגר היסטורי עבור פיזיקאים. כאשר א אָטוֹם מקיים אינטראקציה עם א פוטון, האטום "נרתע" בכיוון ההפוך, מה שמקשה על מדידת המיקום והתנע של האטום במדויק. לרתיעה זו יכולות להיות השלכות גדולות על חישה קוונטית, המזהה שינויים זעירים בפרמטרים, למשל, באמצעות שינויים בגלי כבידה כדי לקבוע את צורת כדור הארץ או אפילו לזהות חומר אפל.
עמיתי JILA ו-NIST אנה מריה ריי וג'יימס תומפסון, עמית JILA מורי הולנד והצוותים שלהם הציעו דרך להתגבר על הרתע האטומי הזה על ידי הדגמת סוג חדש של אינטראקציה אטומית הנקראת אינטראקציה תנע-חילופי, שבה אטומים החליפו את המומנטום שלהם על ידי החלפת פוטונים מתאימים. . פרטי המחקר פורסמו במאמר חדש בכתב העת מַדָע.
באמצעות חלל – חלל סגור המורכב ממראות – הבחינו החוקרים כי הרתיעה האטומית נרטבה על ידי אטומים המחליפים מצבי אנרגיה בתוך החלל הסגור. תהליך זה יצר ספיגה קולקטיבית של אנרגיה ופיזר את הרתיעה בין כל אוכלוסיית החלקיקים.
אטומים בתוך חלל אופטי מחליפים את מצבי המומנטום שלהם על ידי "משחק תפיסה" עם פוטונים. כשהאטומים סופגים פוטונים מלייזר מופעל, כל ענן האטומים נרתע ולא האטומים הבודדים. קרדיט: קבוצות סטיבן בורוז/הולנד, ריי ותומפסון
בעזרת תוצאות אלו, חוקרים אחרים יכולים לתכנן חללים כדי להפחית את הרתיעה והשפעות חיצוניות אחרות במגוון רחב של ניסויים, מה שיכול לעזור לפיזיקאים להבין טוב יותר מערכות מורכבות או לגלות היבטים חדשים של פיזיקת הקוונטים. עיצוב חלל משופר יכול גם לאפשר סימולציות מדויקות יותר של מוליכות-על, כמו במקרה של ה-Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) מוצלב או מערכות פיזיקליות בעלות אנרגיה גבוהה.
בפעם הראשונה, האינטראקציה של חילופי התנע נצפתה כדי לגרום לדינמיקה של פיתול ציר אחד (OAT), היבט של הסתבכות קוונטית, בין מצבי תנע אטומי. OAT פועלת כמו צמה קוונטית לסבך מולקולות שונות, שכן כל מצב קוונטי מתפתל ומתחבר לחלקיק אחר.
בעבר, OAT נראתה רק במצבים פנימיים אטומיים, אך כעת, עם התוצאות החדשות הללו, חושבים ש-OAT המושרה על ידי חילופי מומנטום יכול לעזור להפחית רעש קוונטי ממספר אטומים. היכולת לסבך מצבי מומנטום עלולה להוביל גם לשיפור במדידות פיזיקליות מסוימות על ידי חיישנים קוונטיים, כגון גלי כבידה.
מינוף סריג צפיפות
במסגרת המחקר החדש הזה, בהשראת מחקר קודם של תומפסון וצוותו, החוקרים בחנו את ההשפעות של סופרפוזיציה קוונטית, המאפשרת לחלקיקים כמו פוטונים או אלקטרונים להתקיים במספר מצבים קוונטיים בו זמנית.
"בפרויקט (חדש) זה, האטומים כולם חולקים את אותו ספין-לייבל; ההבדל היחיד הוא שכל אטום נמצא בסופרפוזיציה בין שני מצבי מומנטום", הסביר סטודנט לתואר שני והסופר הראשון צ'נגי לואו.
החוקרים גילו שהם יכולים לשלוט טוב יותר ברתיעה האטומית על ידי אילוץ האטומים להחליף פוטונים והאנרגיות הקשורות אליהם. בדומה למשחק של דודג'בול, אטום אחד עלול "לזרוק" "דודג'בול" (פוטון) ולרתוע בכיוון ההפוך. "כדור התחמקות" הזה עלול להיתפס על ידי אטום שני, מה שיכול לגרום לאותה כמות של רתיעה עבור האטום השני הזה. זה מבטל את שני הרתעים שחווים שני האטומים וממוצע אותם עבור מערכת החללים כולה.
כאשר שני אטומים מחליפים את אנרגיות הפוטונים השונות שלהם, חבילת הגלים המתקבלת (התפלגות גלים של אטום) בסופרפוזיציה יוצרת גרף תנע המכונה סורג צפיפות, שנראה כמו מסרק עדין שיניים.
לואו הוסיף. "היווצרות סורג הצפיפות מצביעה על שני מצבי מומנטום (בתוך האטום) שהם 'קוהרנטיים' זה עם זה כך שהם יכולים להפריע (זה לזה)." החוקרים גילו שחילופי פוטונים בין אטומים גרמו לקשירה של מנות הגלים של שני האטומים, כך שהם כבר לא היו מדידות נפרדות.
החוקרים יכלו לגרום לחילופי מומנטום על ידי חקירת משחק הגומלין בין סורג הצפיפות לחלל האופטי. מכיוון שהאטומים החליפו אנרגיה, כל רתיעה מקליטת פוטון התפזרה בין כל קהילת האטומים במקום חלקיקים בודדים.
שיחת דופלר
באמצעות שיטת בקרה חדשה זו, החוקרים מצאו שהם יכולים להשתמש גם במערכת זו של שיכוך רתיעה כדי לסייע בהפחתת בעיית מדידה נפרדת: הסטת דופלר.
תזוזת הדופלר, תופעה בפיזיקה הקלאסית, מסבירה מדוע צליל של צפירה או צופר של רכבת משנה את גובה הצליל כשהיא חולפת על פני מאזין או מדוע כוכבים מסוימים מופיעים אדומים או כחולים בתמונות שמי הלילה – זהו השינוי בתדירות הגל כמו המקור והצופה נעים זה לכיוון (או מתרחקים) זה מזה. בפיזיקה הקוונטית, שינוי הדופלר מתאר את שינוי האנרגיה של חלקיק עקב תנועה יחסית.
עבור חוקרים כמו לואו, שינוי הדופלר יכול להיות אתגר להתגבר עליו בקבלת מדידה מדויקת. "כאשר סופגים פוטונים, הרתע האטומי יוביל להזזת דופלר של תדר הפוטון, שזו בעיה גדולה כשמדברים על ספקטרוסקופיה מדויקת", הרחיב. על ידי הדמיית השיטה החדשה שלהם, החוקרים מצאו שהיא יכולה להתגבר על הטיית מדידה עקב הסטת דופלר.
חילופי מומנטום מסתבכים
החוקרים מצאו גם שחילופי המומנטום בין האטומים הללו יכולים לשמש סוג של הסתבכות קוונטית. כפי שג'ון ווילסון, סטודנט לתואר שני בקבוצת הולנד, פירט: "כאשר אטום נופל, התנועה שלו מנענעת את תדר החלל. זה, בתורו, מעודד אטומים אחרים להרגיש ביחד את מנגנון המשוב הזה ודוחף אותם לתאם את התנועה שלהם דרך הנדנודים המשותפים".
כדי לבחון את ה"הסתבכות" הזו עוד יותר, החוקרים יצרו הפרדה גדולה יותר בין מצבי המומנטום של האטומים ואז גרמו לחילופי המומנטום. החוקרים גילו שהאטומים המשיכו להתנהג כאילו הם מחוברים. "זה מצביע על כך ששני מצבי המומנטום באמת מתנודדים זה לזה כאילו הם מחוברים בקפיץ", הוסיף לואו.
במבט קדימה, החוקרים מתכננים לחקור את הצורה החדשה הזו של הסתבכות קוונטית, בתקווה להבין טוב יותר כיצד ניתן להשתמש בה כדי לשפר סוגים שונים של מכשירים קוונטיים.
מחקר זה נתמך על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, מרכזי המחקר הלאומיים למדעי מידע קוונטי, מאיץ מערכות קוונטיות.
