La fisica esotica può accadere quando le particelle quantistiche si uniscono e parlano tra loro. Comprendere tali processi è impegnativo per gli scienziati, perché le interazioni delle particelle possono essere difficili da intravedere e ancora più difficili da controllare. Inoltre, le moderne simulazioni al computer faticano a dare un senso a tutte le intricate dinamiche che avvengono in un grande gruppo di particelle. Per fortuna, atomi raffreddati a temperature prossime allo zero possono fornire informazioni su questo problema.

I laser possono fare in modo che gli atomi freddi mimino la fisica vista in altri sistemi, un approccio che è un terreno familiare per i fisici atomici. Usano regolarmente raggi laser intersecanti per catturare atomi in un paesaggio di dolci colline e valli chiamato reticolo ottico. atomi, una volta raffreddato, non ho abbastanza energia per camminare su per le colline, e si bloccano nelle valli. In questo ambiente, gli atomi si comportano in modo simile agli elettroni nella struttura cristallina di molti solidi, quindi questo approccio fornisce un modo semplice per conoscere le interazioni all'interno dei materiali reali.

Ma il modo convenzionale di realizzare reticoli ottici presenta alcune limitazioni. La lunghezza d'onda della luce laser determina la posizione delle colline e delle valli, e così la distanza tra le valli vicine, e con ciò la spaziatura tra gli atomi, può essere ridotta solo alla metà della lunghezza d'onda della luce. Portare gli atomi più vicini di questo limite potrebbe attivare interazioni molto più forti tra di loro e rivelare effetti che altrimenti rimarrebbero nell'oscurità.

Ora, un team di scienziati del Joint Quantum Institute (JQI), in collaborazione con ricercatori dell'Istituto per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica di Innsbruck, Austria, ha aggirato il limite di lunghezza d'onda sfruttando le caratteristiche quantistiche intrinseche degli atomi, che dovrebbe consentire ai vicini del reticolo atomico di avvicinarsi più che mai. La nuova tecnica riesce a spremere le dolci colline reticolari in pareti ripide separate solo da un cinquantesimo della lunghezza d'onda del laser, 25 volte più strette di quanto possibile con i metodi convenzionali. Il lavoro, che si basa su due precedenti proposte teoriche, è stato recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica .

Nella maggior parte dei reticoli ottici, gli atomi sono disposti ripetendo cali graduali nell'intensità della luce laser, un meccanismo che funziona anche con oggetti non quantistici come batteri o persino perline di vetro. Ma questo ignora molte caratteristiche quantistiche intrinseche degli atomi. A differenza delle perle di vetro, atomi, sollecitato dalla luce laser di determinati colori, possono passare internamente tra diverse versioni quantistiche di se stessi, chiamati stati. Il team sfrutta questa proprietà per costruire reticoli che sostituiscono efficacemente le dolci colline con elementi appuntiti.

"Il trucco è che non ci affidiamo all'intensità della luce da sola, " spiega Yang Wang, un ricercatore post-dottorato presso il JQI e l'autore principale del documento. "Anziché, usiamo la luce come strumento per facilitare un effetto quantomeccanico. E questo crea il nuovo tipo di paesaggio per gli atomi".

Per creare questo reticolo, i ricercatori intrappolano gli atomi in uno schema di luce bicolore. Ogni colore è scelto in modo che possa cambiare da solo lo stato interno di un atomo, ma quando i due colori si sovrappongono, il colore più intenso in ogni punto prende il sopravvento e decide in quale stato interno l'atomo atterra. Ma questo schema non è uniforme:ci sono vaste valli in cui l'atomo preferisce uno stato, interrotto da strisce sottili dove dovrebbe passare. Le regole della meccanica quantistica impongono che ogni volta che un atomo cambia il suo stato, l'atomo deve pagare un prezzo sotto forma di energia, proprio come scalare una collina. Mentre una transizione graduale può sembrare una passeggiata domenicale verso l'atomo, grandi cambiamenti su distanze più brevi si evolvono rapidamente in un'escursione sempre più ripida. Nell'esperimento, le strisce sottili all'interno del motivo chiaro sono così strette, che all'atomo sembrano muri insormontabili, quindi li evita e si blocca nel mezzo.

Queste pareti taglienti sono un primo passo importante nella ricerca per avvicinare ancora di più gli atomi. La nuova tecnica fornisce ancora molto spazio agli atomi per viaggiare all'interno dell'ampio, pianure pianeggianti, ma i ricercatori intendono ridurre questa libertà aggiungendo ulteriori barriere. "Mentre adottiamo misure per confinare sempre più gli atomi, gli effetti quantistici tra gli atomi dovrebbero diventare sempre più importanti, "dice Trey Porto, un JQI Fellow e un autore del documento. "Questo ha un effetto collaterale pratico, perché aumenta anche la temperatura a cui dobbiamo essere per vedere uno strano comportamento quantistico. Il raffreddamento è piuttosto difficile, quindi questo renderebbe più facilmente raggiungibile la fisica che stiamo cercando."

Il team di ricerca afferma che questo strumento potrebbe essere utile anche per futuri esperimenti di chimica quantistica, permettendo agli scienziati di avvicinare gli atomi abbastanza da impegnarsi in una piccola scala, reazione altamente controllata.