I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno "congelato istantaneamente" un cristallo piatto di 150 ioni di berillio (atomi caricati elettricamente), aprendo nuove possibilità per simulare il magnetismo su scala quantistica e rilevare segnali dalla misteriosa materia oscura.

Molti ricercatori hanno cercato per decenni di raffreddare oggetti vibranti abbastanza grandi da essere visibili ad occhio nudo fino al punto in cui hanno il minimo movimento consentito dalla meccanica quantistica, la teoria che governa il comportamento della materia su scala atomica. Più freddo è meglio è, perché rende il dispositivo più sensibile, più stabile e meno distorto, e quindi, più utile per applicazioni pratiche. Fino ad ora, però, i ricercatori sono stati in grado di ridurre solo alcuni tipi di vibrazioni.

Nell'esperimento NIST, i campi magnetici ed elettrici raffreddarono e intrappolarono gli ioni in modo che formassero un disco di meno di 250 micrometri (milionesimi di metro) di diametro. Il disco è considerato un cristallo perché gli ioni sono disposti secondo uno schema che si ripete regolarmente.

Come descritto in Lettere di revisione fisica , I ricercatori del NIST hanno raffreddato il cristallo in soli 200 microsecondi (milionesimi di secondo) in modo che ogni ione avesse circa un terzo dell'energia trasportata da un singolo fonone, un pacchetto di energia motrice nel cristallo. Questo è molto vicino alla quantità di energia nello stato quantistico più basso possibile per le cosiddette vibrazioni della "pelle di tamburo" del cristallo, che sono simili ai movimenti su e giù di un tamburo battente.

I ricercatori hanno raffreddato e rallentato tutte le 150 vibrazioni della pelle del tamburo, uno per ogni ione. (Il video di simulazione qui sotto mostra otto tipi di esempio di vibrazioni della pelle del tamburo.) Il lavoro ha mostrato che centinaia di ioni possono essere calmati collettivamente usando questa tecnica, un significativo progresso rispetto alla precedente dimostrazione da parte di un altro gruppo che raffreddava una linea di 18 ioni.

Per le vibrazioni alle frequenze raffreddate in questa dimostrazione, un terzo dell'energia trasportata da un fonone corrisponde a 50 microKelvin, o 50 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto (meno 459,67 °F o meno 273,15 °C), ha detto il capogruppo John Bollinger. Pur non essendo una temperatura da record, questo livello è vicino allo stato fondamentale quantomeccanico per tutte le modalità della pelle del tamburo, il che significa che il movimento termico è piccolo per un sistema così altamente confinato, Bollinger ha notato.

Per ottenere così tanto raffreddamento, i ricercatori hanno puntato due laser con frequenze e livelli di potenza specifici al cristallo. I laser hanno accoppiato i livelli di energia degli ioni in modo tale da indurre il cristallo di ioni a perdere energia senza aumentare il suo movimento. Per la maggior parte delle particelle di luce laser diffuse dal cristallo, gli ioni hanno perso il movimento, raffreddamento del cristallo.

Il metodo non ha raffreddato altri tipi di vibrazioni come il movimento da lato a lato del cristallo a forma di disco. Ma i movimenti della pelle hanno gli usi più pratici. Solo le vibrazioni della testa del tamburo vengono utilizzate nelle simulazioni quantistiche e nei sensori quantistici.

Le vibrazioni più fredde della testa del tamburo renderanno il cristallo ionico un simulatore più realistico del magnetismo quantistico, che può essere difficile da calcolare sui computer convenzionali. Il raffreddamento dello stato fondamentale dovrebbe anche consentire sistemi quantistici entangled più complicati, rendendo possibili misurazioni migliori per le applicazioni di rilevamento quantistico.

"Un'applicazione di rilevamento quantistico che siamo entusiasti di studiare è il rilevamento di campi elettrici molto deboli, Bollinger ha detto. "Con il raffreddamento allo stato fondamentale miglioriamo la nostra capacità di rilevare i campi elettrici a un livello che consente la ricerca di alcuni tipi di materia oscura:assioni (ipotetiche particelle subatomiche) e fotoni nascosti (portatori di forza non ancora visti). "

La ricerca futura tenterà di raffreddare i cristalli tridimensionali con un numero molto maggiore di ioni.