雙色光模式為原子創造出陡峭的量子牆

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】當量子粒子聚集在一起並彼此交談時，異國情調的物理學就會發生。理解這樣的過程對科學家來說是具有挑戰性的，因為粒子相互作用很難被窺見，甚至更難控制。此外現代計算機模擬難以理解大量粒子中所有複雜的動態。幸運的是原子冷卻到接近零度的溫度可以提供對這個問題的見解。激光可以使冷原子模仿其他系統中看到的物理 - 這是一種熟悉原子物理學家的地形。他們經常使用相交的激光束捕捉被稱為光學晶格的連綿起伏的丘陵和山谷景觀中的原子。當原子冷卻時，沒有足夠的能量在山上行走，並且它們卡在山谷中。在這種環境中，原子與許多固體晶體結構中的電子行為相似，因此這種方法提供了一種直接了解真實材料內部相互作用的方式。

一種新的方法允許科學家在陡峭的牆壁之間捕獲原子。圖片版權：N.Beier / JQI

但是製作光學晶格的傳統方式有一些局限性。激光的波長決定了山丘和山谷的位置，所以相鄰山谷之間的距離以及原子之間的距離只能縮小到光波長的一半。使原子比這個極限更接近可以激活它們之間更強的相互作用，並揭示其他方面在黑暗中的影響。現在來自聯合量子研究所（JQI）的一組科學家與奧地利因斯布魯克的量子光學和量子信息研究所的研究人員合作，通過利用原子固有的量子特徵來避開波長限制，這應該允許原子晶格鄰居比以前更接近。這項新技術設法將柔和的格子小山擠壓成僅相隔激光波長的五十分之一的陡峭壁，比傳統方法窄25倍。這項基於兩項先前理論建議的工作最近在「 物理評論快報」上發表。

在大多數光學晶格中，原子通過在激光強度中重複平滑下降來排列 - 這種機制也適用於非量子物體，如細菌甚至玻璃珠。但是這忽略了原子的許多固有的量子特性。與玻璃珠不同，原子由某種顏色的激光激發，可以在其內部的不同量子版本之間進行內部切換，稱為狀態。該團隊利用這個屬性來構建格子，以有效地取代具有尖刺特徵的連綿起伏的丘陵。JQI的博士後研究員兼論文的第一作者Yang Wang解釋說：訣竅在於我們不依賴於光線本身的強度，相反我們使用光作為工具來促進量子力學效應，並為原子創造了新的景觀。

為了創建這個晶格，研究人員將原子置於兩色光模式中。每種顏色的選擇都可以自己改變原子的內部狀態，但是當兩種顏色重疊時，每個點上的顏色越強烈，就會決定原子所處的內部狀態。但是這種模式不是光滑的 - 那裡有廣闊的山谷，原子更喜歡一個狀態，被切換的細條中斷。量子力學的規則規定，每當原子改變其狀態時，原子必須以能量的形式付出代價，就像爬山一樣。雖然平穩的過渡可能會出現在星期天的原子周圍，但較短距離的巨大變化很快就會演變成一次越來越陡峭的加速。在實驗中，光線圖案內的細條很窄，

這些尖銳的牆壁是追求使原子更接近的重要的第一步。這項新技術仍然為原子在廣闊而平坦的平原內提供了足夠的空間，但研究人員計劃通過增加更多障礙來減少這種自由。JQI研究員，論文作者Trey Porto說：當我們採取步驟進一步限制原子時，原子之間的量子效應應該變得越來越重要，這有一個實際的副作用，因為它也增加了我們需要看到奇怪的量子行為的溫度，冷卻非常困難，所以這會使得我們更容易實現的物理學。研究小組表示，這種工具對於未來的量子化學實驗也可能有用，使科學家能夠將原子置於足夠接近的範圍內，進行小規模，高度控制的反應。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：物理評論快報

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：聯合量子研究所

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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