מיקרוסקופ QUIONE ממנף סטרונציום להדמיה ברזולוציה גבוהה והדמיות קוונטיות, ומאשר את הפוטנציאל שלו במחקר קוונטי מתקדם. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
QUIONE, מיקרוסקופ גז קוונטי ייחודי שפותח על ידי חוקרי ICFO בספרד, משתמש בסטרונציום כדי לדמות מערכות קוונטיות מורכבות ולחקור חומרים ברמה האטומית. הוא שואף לפתור בעיות מעבר ליכולות החישוביות הנוכחיות וכבר הוכיח תופעות כמו נזילות-על.
פיזיקת הקוונטים זקוקה לטכניקות חישה ברמת דיוק גבוהה כדי להעמיק בתכונות המיקרוסקופיות של חומרים. מהמעבדים הקוונטיים האנלוגיים שצמחו לאחרונה, מה שנקרא מיקרוסקופים גז קוונטיים הוכחו ככלים רבי עוצמה להבנת מערכות קוונטיות ברמה האטומית. מכשירים אלה מייצרים תמונות של גזים קוונטיים ברזולוציה גבוהה מאוד: הם מאפשרים לזהות אטומים בודדים.
פיתוח של QUIONE
כעת, חוקרי ה-ICFO (ברצלונה, ספרד) סנדרה בווב, ג'ונתן הושל'ה, ד"ר וסילי מחלוב וד"ר אנטוניו רוביו-אבדל, בראשות פרופסור ICREA ב-ICFO לטיסיה טרואל, מסבירים כיצד הם בנו מיקרוסקופ גז קוונטי משלהם, בשם QUIONE אחרי אלת השלג היוונית. מיקרוסקופ הגז הקוונטי של הקבוצה הוא היחיד שמדמה אטומים בודדים של גזים קוונטיים סטרונציום בעולם, כמו גם הראשון מסוגו בספרד.
מעבר לתמונות המשפיעות שבהן ניתן להבחין בין אטומים בודדים, המטרה של QUIONE היא הדמיית קוונטים. כפי שמסבירה פרופ' לטיסיה טרואל ב-ICREA: "אפשר להשתמש בסימולציה קוונטית כדי להרתיח מערכות מסובכות מאוד למודלים פשוטים יותר כדי להבין שאלות פתוחות שהמחשבים הנוכחיים לא יכולים לענות עליהן, כמו מדוע חומרים מסוימים מוליכים חשמל ללא הפסדים אפילו בטמפרטורות גבוהות יחסית. ”
תמונה של תא הזכוכית עם ענן גז הסטרונציום באמצע קרדיט: ICFO
המחקר של הקבוצה ב-ICFO בתחום זה קיבל תמיכה ברמה הלאומית (פרס מהאגודה הספרדית המלכותית לפיזיקה, ופרויקטים ומענקים מקרן BBVA, קרן רמון ארסס, קרן לה קאישה וקרן סלקס) ואירופה רמה (כולל פרויקט ERC). בנוסף, QUIONE ממומן על ידי ממשלת קטלוניה, באמצעות מזכירות המדיניות הדיגיטלית של מחלקת הארגונים והעבודה, כחלק מהמחויבות של ממשלת קטלוניה לקדם טכנולוגיות קוונטיות.
הייחודיות של ניסוי זה נעוצה בעובדה שהם הצליחו להביא את גז הסטרונציום למשטר הקוונטי, למקם אותו בסריג אופטי שבו האטומים יכולים לקיים אינטראקציה על ידי התנגשויות ואז להחיל את היחיד. אָטוֹם טכניקות הדמיה. שלושת המרכיבים הללו בסך הכל הופכים את מיקרוסקופ הגז הסטרונציום הקוונטי של ICFO לייחודי מסוגו.
מפת המעבדה ומיקום הסימולטור הקוונטי. קרדיט: ICFO
למה סטרונציום?
עד כה, מערכות המיקרוסקופ הללו הסתמכו על אטומים אלקליין, כמו ליתיום ואשלגן, בעלי תכונות פשוטות יותר מבחינת הספקטרום האופטי שלהם בהשוואה לאטומי אדמה אלקליין כגון סטרונציום. זה אומר שסטרונציום מציע יותר מרכיבים לשחק איתם בניסויים האלה.
למעשה, בשנים האחרונות, התכונות הייחודיות של הסטרונציום הפכו אותו לאלמנט פופולרי מאוד עבור יישומים בתחומי מחשוב קוונטי והדמיית קוונטים. לדוגמה, ענן של אטומי סטרונציום יכול לשמש כמעבד קוונטי אטומי, שיכול לפתור בעיות מעבר ליכולות של המחשבים הקלאסיים הנוכחיים.
בסך הכל, חוקרי ICFO ראו פוטנציאל גדול לסימולציה קוונטית בסטרונציום, והם החלו לעבוד על בניית מיקרוסקופ גז קוונטי משלהם. כך נולדה QUIONE.
הצוות במעבדה. משמאל לימין: סנדרה בוב, אנטוניו רוביו-אבאדאל, וסילי מחלוב, ג'ונתן הושל'ה ולטיסיה טארואל. קרדיט: ICFO
QUIONE, סימולטור קוונטי של גבישים אמיתיים
לשם כך הורידו תחילה את הטמפרטורה של גז הסטרונציום. באמצעות הכוח של מספר קרני לייזר, ניתן להפחית את מהירות האטומים לנקודה שבה הם נשארים כמעט ללא תנועה, בקושי זזים, ומפחיתים את הטמפרטורה שלהם לכמעט אפס מוחלט תוך כמה אלפיות שניות. לאחר מכן, חוקי מכניקת הקוונטים שולטים בהתנהגותם, והאטומים מציגים תכונות חדשות כמו סופרפוזיציה קוונטית והסתבכות.
לאחר מכן, בעזרת לייזרים מיוחדים, הפעילו החוקרים את הסריג האופטי, ששומר על האטומים מסודרים ברשת לאורך החלל. "אתה יכול לדמיין את זה כמו קרטון ביצים, שבו האתרים הבודדים הם למעשה המקום שבו אתה שם את הביצים. אבל במקום ביצים יש לנו אטומים ובמקום קרטון יש לנו את הסריג האופטי", מסבירה סנדרה בוב, המחברת הראשונה של המאמר.
האטומים בכוס הביצים קיימו אינטראקציה זה עם זה, ולעתים חוו מנהור קוונטי כדי לעבור ממקום אחד לאחר. הדינמיקה הקוונטית הזו בין אטומים מחקה את זו של אלקטרונים בחומרים מסוימים. לכן, חקר המערכות הללו יכול לעזור להבין את ההתנהגות המורכבת של חומרים מסוימים, שהוא רעיון המפתח של הדמיית קוונטים.
ברגע שהגז והסריג האופטי היו מוכנים, החוקרים לקחו את התמונות עם המיקרוסקופ שלהם ויכלו סוף סוף לצפות בגז הקוונטי הסטרונציום שלהם אטום אחר אטום. בשלב זה, בניית QUIONE כבר הייתה מוצלחת, אך יוצריה רצו להפיק ממנה עוד יותר.
כך, בנוסף לתמונות, הם צילמו סרטונים של האטומים והצליחו לראות שבעוד שהאטומים צריכים להישאר דומים במהלך ההדמיה, הם קפצו לפעמים לאתר סריג סמוך. ניתן להסביר זאת על ידי תופעת המנהור הקוונטי. "האטומים "דיפו" מאתר אחד לאחר. זה היה משהו מאוד יפה לראות, מכיוון שממש היינו עדים לביטוי ישיר של ההתנהגות הקוונטית המובנית שלהם", משתף בוב.
לבסוף, קבוצת המחקר השתמשה במיקרוסקופ הגז הקוונטי שלהם כדי לאשר שגז הסטרונציום הוא נוזל-על, שלב קוונטי של חומר שזורם ללא צמיגות. "כיביתנו לפתע את לייזר הסריג, כדי שהאטומים יוכלו להתרחב בחלל ולהפריע זה לזה. זה יצר דפוס התאבכות, עקב דואליות הגל-חלקיקי של האטומים בנוזל העל. כשהציוד שלנו תפס אותו, אימתנו את נוכחותם של נזילות-על בדגימה", מסביר ד"ר אנטוניו רוביו-אבדל.
"זהו רגע מרגש מאוד לסימולציה קוונטית", משתפת פרופסור לטיסיה טרואל ב-ICRAA. "עכשיו, לאחר שהוספנו סטרונציום לרשימת מיקרוסקופי הגז הקוונטים הזמינים, אולי נוכל לדמות חומרים מורכבים ואקזוטיים יותר בקרוב. אז צפויים להתעורר שלבים חדשים של החומר. ואנחנו גם מצפים להשיג הרבה יותר כוח חישוב כדי להשתמש במכונות האלה כמחשבים קוונטיים אנלוגיים."
