13 Марта 2018

Новая техника «виденья» квантового мира

Опубликовал V.S. Husak

     Ученые JILA (JILA - совместный институт физики Университета Колорадо в Боулдере и Национальный институт стандартов и технологий) изобрели новый метод визуализации, который дает быстрые, точные измерения квантового поведения в атомных часах в виде почти мгновенного визуального искусства. Эта методика объединяет спектроскопию, которая извлекает информацию из взаимодействия между светом и веществом с микроскопом высокого разрешения.

    Метод JILA делает пространственные карты сдвигов энергии между атомами в трехмерных атомных часах решетки стронция, обеспечивая информацию о местоположении каждого атома, энергетическом уровне и квантовом состоянии.

    Техника быстро измеряет физические эффекты, важные для атомных часов, тем самым улучшая точность часов, и может добавлять новые детали атомного уровня к исследованиям таких явлений, как магнетизм и сверхпроводимость. В будущем метод может позволить ученым наконец увидеть новую физику, такую ​​как связь между квантовой физикой и гравитацией.

    JILA управляется совместно Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом в городе Боулдер, штат Колорадо.

    «Этот метод позволяет нам написать часть прекрасной «музыки» с лазерным светом и атомами, а затем отобразить это в структуру и заморозить его, как камень, чтобы мы могли смотреть на отдельные атомы, слушая разные тона лазера, читая прямо как изображение», - сказал член JILA/NIST Джун Ие.

    Атомы находятся в так называемом квантовом вырожденном газе, в котором большое количество атомов взаимодействует друг с другом. Это явление «квантового многообразия» увеличивает точность измерений до новых величин.

    Для подготовки атомов к снимку исследователи используют лазерный импульс для извлечения около 10 000 атомов стронция из своего низкоэнергетического основного состояния в высокоэнергетическое возбужденное состояние. Затем синим лазером, расположенным под решеткой, подсвечивается вверх по вертикали через атомы, а камера фотографирует тень, которую бросают атомы, что зависит от того, сколько света они поглощают. Атомы обычного (основного) состояния поглощают больше света.

    Полученные изображения представляют собой ложно-цветные представления атомов в обычном состоянии (синем) и возбужденном состоянии (красный). Белая область представляет атомы в тонкой смеси около 50% красного и 50% синего цвета, создавая эффект пятнистой структуры. Это происходит потому, что эти атомы первоначально были получены в квантовом состоянии суперпозиции или как в обычном, так и в возбужденном состоянии одновременно, а измерение изображения подсказывает коллапс в одном из двух состояний, что создает «шум» в изображении.

    В качестве демонстрации команда JILA создала серию изображений для отображения небольших частотных сдвигов или фракций атомов в возбужденном состоянии в разных областях решетки. Возможность проведения одновременных сравнений повышает точность и скорость в измерениях группы атомов. Исследователи сообщили о достижении рекордной точности измерения частоты 2,5 × 10-19 (ошибка всего 0,25 на миллиард миллиардов) за 6 часов. Ожидается, что высокочувствительная спектроскопия значительно улучшит точность атомных часов JILA и других атомных часов в целом.

    Спектроскопия изображений обеспечивает информацию о локальной среде атомов, аналогичную невероятному разрешению, предлагаемому сканирующей туннельной микроскопией. До сих пор этот метод использовался для создания двумерных изображений, но он мог создавать трехмерные изображения на основе поэтапных измерений, как это делается в томографии, которая объединяет в себе множество поперечных сечений твердых объектов.

    Подобный искусственный кристалл, решетка атомов также может быть использован в качестве магнитного или гравитационного датчика для проверки взаимодействия между различными физическими областями. Ученые взволнованы будущей возможностью использования атомов в часах в качестве датчика силы тяжести, чтобы увидеть, как квантовая механика, которая работает на очень небольших пространственных масштабах, взаимодействует с общей теорией относительности, теорией гравитации, макроскопической силой.

    По мере того как часы улучшатся в ближайшие 20 лет, этот маленький кристалл может не только определить, как гравитация влияет на частоту, но и мы могли бы начать видеть взаимодействие гравитации и квантовой механики. Это физический эффект, который ни один экспериментальный зонд никогда не измерял. Эта техника визуализации может стать очень важным инструментом.