juni 25, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

Fysikere fanget to atomer som 'snakket' med hverandre

Fysikere fanget to atomer som ‘snakket’ med hverandre

En kunstner gjengivelse av det nylige eksperimentet.

En kunstner gjengivelse av det nylige eksperimentet.
Illustrasjon: DELFT / SCIXEL

Et team av fysikere fra Nederland og Tyskland plasserte nylig en gruppe titanatomer under et tunnelmikroskop. Disse atomene var i konstant og lydløs interaksjon med hverandre gjennom retningene av deres spinn. I en smart bragd klarte forskerne å finne et enkelt par atomer, som forbinder en med en elektrisk strøm for å endre sin spinn. De målte deretter partnerens reaksjon.

Når to atomer har spinn som er gjensidig avhengige, betraktes de som kvanteviklet. Denne viklingen betyr at oppførselen til det ene atomet har en direkte innvirkning på det andre, og teorien sier at dette skal forbli sant selv når de er atskilt med lange avstander. I dette tilfellet ble titanatomene skilt med litt mer enn ett nanometer (en milliontedel av en millimeter), nær nok til at de to partiklene kunne samhandle med hverandre, men langt nok unna at lagets instrumenter kunne oppdage interaksjonen.

“Hovedfunnet er at vi har kunnet observere hvordan atomsnurr oppfører seg over tid som et resultat av deres gjensidige interaksjon,” sa medforfatter Sander Otte, en kvantefysiker ved Kavli Institute for Nanoscience. ved Delft University of Technology i Nederland. Otte forklarte i en e-post at forskere tidligere hadde vært i stand til å måle styrken til forskjellige atomsnurr og påvirkningen av den styrken på atomens energinivå. Men dette eksperimentet tillot dem å observere den interaksjonen over tid.

Et stort håp fra eksperimentell fysikk er at forskere en dag vil kunne simulere kvanteinteraksjoner etter eget ønske, ved å tilpasse et kvantesystem etter eget ønske og se kvantemekanikken utfolde seg. Forskerne gjorde faktisk nettopp det, utløste en bestemt handling på ett atom og observerte hvordan atomet ved siden av det reagerte.

“Dette er en veldig fin demonstrasjon av en veldig enkel ‘kvantesimulator’,” sa Ella Lachman, en kvantefysiker fra UC Berkeley som ikke var involvert i den nye studien. “Ved å kontrollere posisjonene til atomene, kan vi teoretisk bygge en kopi av et gitter eller hvilket som helst system vi vil studere dynamikken til.”

Teamet valgte å jobbe med titanatomer fordi de har færrest mulige muligheter for å spinne det, enten opp eller ned. Titanatomene ble festet til en magnesiumoksydoverflate og holdt dem på plass for inspeksjon. Stakk på den overflaten, som ble holdt nesten i vakuum på bare 1 grad Kelvin, eller -457,87 Fahrenheit, kunne fysikere individuelt velge atomer under spissen av mikroskopet (her er en video viser hvordan det fungerer). Deretter kunne de snu atomets spinn ved å slå et atom i et par med en elektrisk puls, noe som ba om en umiddelbar reaksjon fra naboen. Disse reaksjonene er forutsigbare, sa Otte, gjennom kvantemekanikkens lover. (Hvis du sier “banke banke”, kan du være sikker på at neste partikkel vil svare “Hvem er der?”) Hele prosessen tok omtrent 15 nanosekunder, eller 15 milliarddeler av et sekund. Hans forskning var publisert i dag innen vitenskap.

Det er andre måter å lese kvanteverdenen på. Forskere kan trylle interaksjoner mellom atomer ved å endre spinnet til ett, men at interkommunikasjon skjer så raskt at typiske observasjonsmåter, som f.eks. spin resonans teknikk, Jeg kan ikke hente den. Kvanteforskere bruker ofte mikrobølgepulser å få atomer til å endre tilstand eller observere kvantemekanikk, men denne elektriske pulstilnærmingen ga teamet muligheten til å ane de minste interaksjoner; tilsvarer et DM-atom for atom.

Metoder som spin-resonansteknikken er “bare for sakte”, sa Lukas Veldman, en kvantefysiker ved Kavli Institute for Nanoscience. ved Delft University of Technology, i Delft lansering. “Du har knapt begynt å snu den ene svingen før den andre begynner å snu. På denne måten vil du aldri kunne undersøke hva som skjer når du setter de to spinnene i motsatt retning. “

Mikroskopet som ble brukt i teamets nylige eksperiment.

Mikroskopet som ble brukt i teamets nylige eksperiment.
Bilde: TU Delft / Unisoku

Den sanne magien med denne forskningen er ennå ikke kommet, sa Otte. Mens denne påvisningen kartla rebound av spinn mellom to atomer, blir situasjonen mye mer kompleks for hvert atom du legger til ligningen. Du kan tenke deg et telefonspill der deltakerne kan formidle budskapet og hviske det på samme måte som det kom. Meldinger fra forskjellige retninger ville begynne å krysse hverandre og forvride kommunikasjonen.

“Som alltid er leketøysmodeller fine, men når vi først har lagt til kompleksiteten som virkelig interesserer oss, blir spørsmålene om målinger og tolkninger av dem mer kompliserte,” sa Lachman. “Kan du gjøre det samme eksperimentet med tre atomer mens du bare måler ett? Sannsynligvis ja, men tolkningen av tiltaket blir mer komplisert. Hva med ti atomer? Tjue? Tid og oppfinnsomhet vil vise om dette er en kul eksperimentell demo av en leketøymodell eller noe mer inngående. Potensialet er der. “

Otte la også vekt på de forbløffende utfordringene med å gå utover et enkelt toatomsystem. “Hvis vi går opp til 20 spinn, kunne ikke den bærbare datamaskinen min lenger beregne hva som skjer. Ved 50 runder gir de beste superdatamaskiner i verden opp, og så videre, »sa Otte. “Hvis vi noen gang vil forstå nøyaktig hvordan den komplekse oppførselen til visse materialer oppstår (et utmerket eksempel er superledningsevne), måtte vi ‘bygge’ materialer fra bunnen av og se hvordan fysikkens lover utvikler seg ved å øke fra 10 til 100 til 1000 “Superledningsevne refererer til materialer som kan overføre elektrisitet med null motstand, noe som bare er mulig for nå ved veldig kalde temperaturer. Det er derfor utviklingen av en Superlederen ved romtemperatur er en hellig gral av fysikken.. Det ville forandre verden fullstendig.

Men det er i disse større tallene du begynner å få en følelse av de endelige premiene. I stedet for å lytte til et atom fra hjerte til hjerte, kunne forskerne til slutt høre murringen av kvantesamtaler med mange atomer når de beveger seg rundt. Vi trenger selvfølgelig bedre datamaskiner for slike dilemmaer, men selv de minste interaksjonene har sin egen intime betydning, som initiativtakere til en større samtale.

Mer: Når vil kvantedatamaskiner overgå normale datamaskiner?

READ  NASAs Ingenuity Mars-helikopter forbereder seg på historisk første flytur til en annen verden