I ricercatori JILA hanno, per la prima volta, gruppi isolati di pochi atomi e misurato con precisione le loro interazioni multiparticelle all'interno di un orologio atomico. L'anticipo aiuterà gli scienziati a controllare la materia quantistica che interagisce, che dovrebbe aumentare le prestazioni degli orologi atomici, molti altri tipi di sensori, e sistemi informativi quantistici.

La ricerca è descritta in a Natura documento pubblicato online il 31 ottobre. JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder.

Gli scienziati del NIST prevedono da anni la fisica dei "molti corpi" e i suoi benefici, ma il nuovo lavoro di JILA fornisce la prima prova quantitativa di ciò che accade esattamente quando si impacchettano alcuni fermioni, atomi che non possono trovarsi nello stesso stato quantistico e nella stessa posizione allo stesso tempo.

"Stiamo cercando di capire l'emergere della complessità quando più particelle, gli atomi qui, interagiscono tra loro, "NIST e JILA Fellow Jun Ye hanno detto. "Anche se possiamo capire perfettamente le regole su come interagiscono due atomi, quando più atomi si uniscono ci sono sempre sorprese. Vogliamo capire quantitativamente le sorprese".

I migliori strumenti odierni per misurare quantità come tempo e frequenza si basano sul controllo delle singole particelle quantistiche. Questo è il caso anche quando in un orologio atomico vengono utilizzati insiemi di migliaia di atomi. Queste misurazioni si stanno avvicinando al cosiddetto limite quantistico standard, un "muro" che impedisce ulteriori miglioramenti utilizzando particelle indipendenti.

Sfruttare le interazioni di molte particelle potrebbe spingere indietro quel muro o addirittura sfondarlo, perché uno stato quantistico ingegnerizzato potrebbe sopprimere le collisioni atomiche e proteggere gli stati quantistici dalle interferenze, o rumore. Inoltre, gli atomi in tali sistemi potrebbero essere organizzati per cancellare il rumore quantico dell'altro in modo tale che i sensori migliorerebbero man mano che venivano aggiunti più atomi, promettendo significativi passi avanti in termini di precisione e capacità di trasporto dei dati.

Nella nuova ricerca, il team JILA ha usato il loro orologio a reticolo di stronzio tridimensionale], che offre un controllo preciso dell'atomo. Hanno creato array da uno a cinque atomi per cella reticolare, e poi ha usato un laser per impostare l'orologio "ticchettio, " o il passaggio a una frequenza specifica tra due livelli di energia negli atomi. La nuova tecnica di imaging di JILA è stata utilizzata per misurare gli stati quantistici degli atomi.

I ricercatori hanno osservato risultati inaspettati quando tre o più atomi erano insieme in una cellula. I risultati erano non lineari, o imprevisto in base all'esperienza passata, un segno distintivo delle interazioni multi-particellare. I ricercatori hanno combinato le loro misurazioni con le previsioni teoriche dei colleghi del NIST Ana Maria Rey e Paul Julienne per concludere che si sono verificate interazioni multiparticelle.

Nello specifico, la frequenza dell'orologio si spostava in modi inaspettati quando tre o più atomi si trovavano in un sito reticolare. Lo spostamento è diverso da quello che ci si aspetterebbe dal sommare varie coppie di atomi. Per esempio, cinque atomi per cellula hanno causato uno spostamento del 20 percento rispetto a quanto ci si aspetterebbe normalmente.

"Una volta ottenuti tre atomi per cellula, cambiano le regole, " Ye ha detto. Questo perché gli spin nucleari degli atomi e le configurazioni elettroniche giocano insieme per determinare lo stato quantico complessivo, e gli atomi possono interagire tutti simultaneamente invece che a coppie, Egli ha detto.

Gli effetti multiparticelle sono comparsi anche in celle reticolari affollate sotto forma di un insolito, rapido processo di decadimento. Due atomi per triade formavano una molecola e un atomo rimaneva sciolto, ma tutti avevano abbastanza energia per sfuggire alla trappola. Al contrario, è probabile che un singolo atomo rimanga in una cellula per un tempo molto più lungo, Hai detto.

"Ciò che significa è, possiamo assicurarci che ci sia solo un atomo per cella nel nostro orologio atomico, " Ye ha detto. "La comprensione di questi processi ci consentirà di capire un percorso migliore per realizzare orologi migliorati, poiché le particelle inevitabilmente interagiranno se ne accumuliamo un numero sufficiente nelle vicinanze per migliorare la potenza del segnale".

Il team JILA ha anche scoperto che l'imballaggio di tre o più atomi in una cellula potrebbe portare a una lunga vita, stati altamente intricati, il che significa che le proprietà quantistiche degli atomi erano collegate in modo stabile. Questo semplice metodo per intrappolare più atomi può essere una risorsa utile per l'elaborazione delle informazioni quantistiche.