Учёные сжали два слоя ультрахолодных магнитных атомов на расстояние менее 50 нанометров друг от друга — в 10 раз ближе, чем в предыдущих экспериментах — что позволило обнаружить странные квантовые эффекты, не наблюдавшиеся ранее.
Экстремальная близость этих атомов позволит исследователям изучать квантовые взаимодействия на этой длине впервые, что может привести к важным прорывам в разработке сверхпроводников и квантовых компьютеров, утверждают учёные в новом исследовании, опубликованном 2 мая в журнале Science.
Необычное квантовое поведение начинает проявляться при сверххолодных температурах, когда атомы вынуждены занимать своё наименьшее возможное энергетическое состояние.
«В нанокельвиновом режиме существует такой вид материи, как конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором все частицы ведут себя как волны, — рассказал Live Science Ли Ду (Li Du), физик из Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования. — По сути, это квантово-механические объекты.»
Взаимодействия между этими изолированными системами особенно важны для понимания квантовых явлений, таких как сверхпроводимость и сверхизлучение. Но сила этих взаимодействий обычно зависит от расстояния разделения, что может создать практические проблемы для исследователей, изучающих эти эффекты; их эксперименты ограничены тем, насколько близко они могут сблизить атомы.
«Большинство атомов, используемых в холодных экспериментах, например, атомы щелочных металлов, для взаимодействия должны иметь контакт, — сказал Ду. — Нас интересуют атомы диспрозия, которые особенны [тем, что они] могут взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях посредством диполь-дипольных взаимодействий (слабых сил притяжения между частичными зарядами на соседних атомах). Но хотя существует дальнодействующее взаимодействие, всё же существуют некоторые типы квантовых явлений, которые невозможно реализовать, поскольку это дипольное взаимодействие очень слабое.»
Сближение холодных атомов с сохранением контроля над их квантовыми состояниями является серьёзной проблемой, и до сих пор экспериментальные ограничения не позволяли исследователям полностью проверить теоретические предсказания об эффектах этих квантовых взаимодействий.
«В обычных экспериментах мы улавливаем атомы с помощью света, и это ограничено дифракционным пределом — порядка 500 нанометров», — сказал Ду. (Для сравнения, по данным Национальной нанотехнологической инициативы, ширина человеческого волоса составляет 80 000–100 000 нанометров.)
Используя лазерный луч, сфокусированный через линзу, исследователи могут создать «гауссову фокусную точку», которая похожа на энергетический колодец внутри лазерного луча, который удерживает определённые атомы в нужном положении. Это известно как оптический пинцет, но размер пинцета (ширина энергетической ямы) ограничен длиной волны лазерного света. Эта минимальная ширина называется дифракционным пределом.
Команда Ду придумала хитрый трюк, чтобы преодолеть этот дифракционный предел, используя ещё одно квантовое свойство атомов диспрозия: их спин. Атомный спин может быть направлен как вверх, так и вниз, но, что особенно важно, у них немного разные энергии. Это означает, что команда могла бы использовать два разных лазерных луча с немного разными частотами и углами поляризации, чтобы отдельно улавливать атомные спины диспрозия со спином вверх и вниз.
«Если атом A не видит свет B, а атом B не видит свет A, то они, по сути, имеют независимый контроль, — объяснил он. — Поскольку атомы всегда располагаются точно в центре гауссова пучка, вы можете перемещать [две разные захваченные частицы] сколь угодно близко.»
Тщательно контролируя два оптических пинцета, команда Ду довела атомы диспрозия со спином вверх и вниз на расстояние в пределах 50 нанометров друг от друга, увеличив силу взаимодействия в 1000 раз по сравнению с 500-нанометровыми уровнями.
Установив этот бислой, команда начала серию экспериментов по изучению квантовых взаимодействий на близком расстоянии. Они нагрели один из слоёв диспрозия, полностью отделённый от другого вакуумным зазором. Невероятно, но они наблюдали передачу тепла второму слою через пустое пространство.
«Как правило, для передачи тепла необходим контакт или излучение, чего у нас здесь нет, — сказал Ду. — Но мы всё ещё видим передачу тепла, и это должно быть связано с диполь-дипольными взаимодействиями на больших расстояниях.»
Кажущаяся невозможной передача тепла была лишь одним из странных эффектов, которые изучала команда. Теперь они стремятся к дальнейшему изучению потенциала квантовых взаимодействий в этом масштабе. Группа уже начинает изучать, как эти бислои взаимодействуют со светом. Но Ду особенно заинтересован в другом квантовом эффекте, называемом спариванием Бардина-Купера-Шриффера (BCS) — квантово связанном состоянии, испытываемом некоторыми субатомными частицами, называемыми фермионами, при низких температурах.
«Сопряжение BCS между слоями очень важно для сверхпроводимости, — сказал он. — Несколько лет назад в теоретической статье было предсказано, что если у нас будет такая двухслойная система, связанная дальнодействующими диполь-дипольными взаимодействиями, то можно будет сформировать пару BCS. Раньше нам не удавалось увидеть это экспериментально, но теперь с помощью нашей системы это стало возможным.»
