La prossimità è fondamentale per molti fenomeni quantistici, poiché le interazioni tra gli atomi sono più forti quando le particelle sono vicine. In molti simulatori quantistici, gli scienziati dispongono gli atomi il più vicino possibile per esplorare stati esotici della materia e costruire nuovi materiali quantistici.
Solitamente lo fanno raffreddando gli atomi fino a fermarli, quindi utilizzando la luce laser per posizionare le particelle a una distanza di 500 nanometri l'una dall'altra, un limite fissato dalla lunghezza d'onda della luce. Ora, i fisici del MIT hanno sviluppato una tecnica che consente loro di disporre gli atomi molto più vicini, fino a soli 50 nanometri. Per contestualizzare, un globulo rosso è largo circa 1.000 nanometri.
I fisici hanno dimostrato il nuovo approccio negli esperimenti con il disprosio, che è l'atomo più magnetico in natura. Hanno utilizzato il nuovo approccio per manipolare due strati di atomi di disprosio e hanno posizionato gli strati esattamente a 50 nanometri di distanza. A questa estrema vicinanza, le interazioni magnetiche erano 1.000 volte più forti che se gli strati fossero separati da 500 nanometri.
Un articolo che descrive questo lavoro è pubblicato sulla rivista Science .
Gli scienziati sono riusciti a misurare due nuovi effetti causati dalla vicinanza degli atomi. Le loro forze magnetiche potenziate causavano la “termalizzazione”, ovvero il trasferimento di calore da uno strato all’altro, nonché oscillazioni sincronizzate tra gli strati. Questi effetti si esaurivano man mano che gli strati venivano distanziati.
"Siamo passati dal posizionamento degli atomi da 500 nanometri a 50 nanometri di distanza, e c'è molto che puoi fare con questo", afferma Wolfgang Ketterle, professore di fisica John D. MacArthur al MIT. "A 50 nanometri, il comportamento degli atomi è così diverso che stiamo davvero entrando in un nuovo regime."
Ketterle e i suoi colleghi affermano che il nuovo approccio può essere applicato a molti altri atomi per studiare i fenomeni quantistici. Da parte loro, il gruppo prevede di utilizzare la tecnica per manipolare gli atomi in configurazioni che potrebbero generare la prima porta quantistica puramente magnetica, un elemento chiave per un nuovo tipo di computer quantistico.
I coautori dello studio includono l'autore principale e studente laureato in fisica Li Du, insieme a Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond e Yu-Kun Lu, tutti membri del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, del Dipartimento di Fisica, e il Laboratorio di ricerca di elettronica del MIT.
Picchi e valli
Per manipolare e organizzare gli atomi, i fisici in genere prima raffreddano una nuvola di atomi a temperature vicine allo zero assoluto, quindi utilizzano un sistema di raggi laser per racchiudere gli atomi in una trappola ottica.
La luce laser è un'onda elettromagnetica con una lunghezza d'onda (la distanza tra i massimi del campo elettrico) e una frequenza specifiche. La lunghezza d'onda limita il modello più piccolo in cui la luce può essere modellata tipicamente a 500 nanometri, il cosiddetto limite di risoluzione ottica. Poiché gli atomi sono attratti dalla luce laser di determinate frequenze, gli atomi verranno posizionati nei punti di massima intensità del laser. Per questo motivo, le tecniche esistenti sono limitate nella distanza con cui possono posizionare le particelle atomiche e non possono essere utilizzate per esplorare fenomeni che si verificano a distanze molto più brevi.
"Le tecniche convenzionali si fermano a 500 nanometri, limitate non dagli atomi ma dalla lunghezza d'onda della luce", spiega Ketterle. "Ora abbiamo trovato un nuovo trucco con la luce che ci consente di superare questo limite."
Il nuovo approccio del team, come le tecniche attuali, inizia raffreddando una nuvola di atomi - in questo caso, a circa 1 microkelvin, appena sopra lo zero assoluto - a quel punto gli atomi arrivano quasi a un punto morto. I fisici possono quindi utilizzare i laser per spostare le particelle congelate nelle configurazioni desiderate.
Quindi, Du e i suoi collaboratori hanno lavorato con due raggi laser, ciascuno con una frequenza o colore diverso; e polarizzazione circolare o direzione del campo elettrico del laser. Quando i due raggi viaggiano attraverso una nuvola di atomi super-raffreddata, gli atomi possono orientare la loro rotazione in direzioni opposte, seguendo la polarizzazione di uno dei due laser. Il risultato è che i raggi producono due gruppi degli stessi atomi, solo con spin opposti.
Ogni raggio laser formava un’onda stazionaria, un modello periodico di intensità del campo elettrico con un periodo spaziale di 500 nanometri. A causa delle loro diverse polarizzazioni, ciascuna onda stazionaria attraeva e raggruppava uno dei due gruppi di atomi, a seconda del loro spin. I laser potrebbero essere sovrapposti e sintonizzati in modo tale che la distanza tra i rispettivi picchi sia piccola quanto 50 nanometri, il che significa che gli atomi che gravitano verso i rispettivi picchi di laser sarebbero separati dagli stessi 50 nanometri.
Ma affinché ciò accada, i laser dovrebbero essere estremamente stabili e immuni a tutti i rumori esterni, come ad esempio lo scuotimento o addirittura il respiro durante l’esperimento. Il team si è reso conto che potevano stabilizzare entrambi i laser dirigendoli attraverso una fibra ottica, che serviva a bloccare i fasci di luce in posizione l'uno rispetto all'altro.
"L'idea di inviare entrambi i raggi attraverso la fibra ottica significava che l'intera macchina poteva tremare violentemente, ma i due raggi laser rimanevano assolutamente stabili l'uno rispetto all'altro", afferma Du.
Forze magnetiche a distanza ravvicinata
Come primo test della loro nuova tecnica, il team ha utilizzato atomi di disprosio, un metallo delle terre rare che è uno degli elementi magnetici più forti nella tavola periodica, in particolare a temperature ultrafredde. Tuttavia, su scala atomica, le interazioni magnetiche dell'elemento sono relativamente deboli anche a distanze di 500 nanometri.
Come con i comuni magneti da frigorifero, l'attrazione magnetica tra gli atomi aumenta con la vicinanza e gli scienziati sospettavano che se la loro nuova tecnica fosse riuscita a distanziare gli atomi di disprosio a una distanza di 50 nanometri l'uno dall'altro, avrebbero potuto osservare l'emergere di interazioni altrimenti deboli tra gli atomi magnetici. /P>
"Potremmo improvvisamente avere interazioni magnetiche, che prima erano quasi trascurabili ma ora sono davvero forti", afferma Ketterle.
Il team ha applicato la propria tecnica al disprosio, prima sottoraffreddando gli atomi, quindi facendo passare due laser per dividere gli atomi in due gruppi di spin, o strati. Hanno quindi diretto i laser attraverso una fibra ottica per stabilizzarli e hanno scoperto che in effetti i due strati di atomi di disprosio gravitavano verso i rispettivi picchi laser, che in effetti separavano gli strati di atomi di 50 nanometri:la distanza più vicina a cui qualsiasi atomo ultrafreddo può l'esperimento è stato in grado di ottenere.
A questa distanza estremamente ravvicinata, le interazioni magnetiche naturali degli atomi erano significativamente migliorate e erano 1.000 volte più forti che se fossero posizionati a 500 nanometri di distanza. Il team ha osservato che queste interazioni hanno prodotto due nuovi fenomeni quantistici:l'oscillazione collettiva, in cui le vibrazioni di uno strato fanno vibrare in sincronia l'altro strato; e la termalizzazione, in cui uno strato trasferisce il calore all'altro, esclusivamente attraverso le fluttuazioni magnetiche negli atomi.
"Fino ad ora, il calore tra gli atomi poteva essere scambiato solo quando si trovavano nello stesso spazio fisico e potevano scontrarsi", osserva Du. "Ora abbiamo visto strati atomici, separati dal vuoto, che scambiano calore attraverso campi magnetici fluttuanti."
I risultati del team introducono una nuova tecnica che può essere utilizzata per posizionare molti tipi di atomi nelle immediate vicinanze. Mostrano anche che gli atomi, posizionati abbastanza vicini tra loro, possono mostrare interessanti fenomeni quantistici, che potrebbero essere sfruttati per costruire nuovi materiali quantistici e, potenzialmente, sistemi atomici guidati magneticamente per computer quantistici.
"Stiamo davvero portando sul campo metodi di super-risoluzione, che diventeranno uno strumento generale per eseguire simulazioni quantistiche", afferma Ketterle. "Ci sono molte varianti possibili, sulle quali stiamo lavorando."
Ulteriori informazioni: Li Du et al, Fisica atomica su scala di 50 nm:realizzazione di un sistema a doppio strato di atomi dipolari, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adh3023. www.science.org/doi/10.1126/science.adh3023
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
