In un nuovo articolo pubblicato su Science , I membri del JILA e del NIST Ana Maria Rey e James Thompson, il membro del JILA Murray Holland, e i loro team hanno proposto un modo per superare questo rinculo atomico dimostrando un nuovo tipo di interazione atomica chiamata interazione di scambio di quantità di moto, in cui gli atomi scambiano la loro quantità di moto scambiandosi i corrispondenti fotoni.

Utilizzando una cavità, uno spazio chiuso composto da specchi, i ricercatori hanno osservato che il rinculo atomico veniva smorzato dagli atomi che scambiavano stati energetici all'interno dello spazio confinato. Questo processo creava un assorbimento collettivo di energia e disperdeva il rinculo tra l'intera popolazione di particelle.

Con questi risultati, altri ricercatori possono progettare cavità per smorzare il rinculo e altri effetti esterni in un’ampia gamma di esperimenti, che possono aiutare i fisici a comprendere meglio i sistemi complessi o a scoprire nuovi aspetti della fisica quantistica. Un design migliorato della cavità potrebbe anche consentire simulazioni più precise della superconduttività, come nel caso del crossover Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) o dei sistemi fisici ad alta energia.

Per la prima volta, è stato osservato che l'interazione di scambio di quantità di moto induce dinamiche di torsione su un asse (OAT), un aspetto dell'entanglement quantistico, tra gli stati della quantità di moto atomica. L'OAT agisce come una treccia quantistica per intrappolare diverse molecole, poiché ogni stato quantistico viene attorcigliato e collegato a un'altra particella.

In precedenza, l’OAT veniva osservata solo negli stati interni degli atomi, ma ora, con questi nuovi risultati, si ritiene che l’OAT indotta dallo scambio di quantità di moto potrebbe aiutare a ridurre il rumore quantistico di più atomi. Essere in grado di intrappolare gli stati della quantità di moto potrebbe anche portare a un miglioramento di alcune misurazioni fisiche da parte di sensori quantistici, come le onde gravitazionali.

Sfruttare un reticolo di densità

All'interno di questo nuovo studio, ispirato da precedenti ricerche di Thompson e del suo team, i ricercatori hanno esaminato gli effetti della sovrapposizione quantistica, che consente a particelle come fotoni o elettroni di esistere simultaneamente in più stati quantistici.

"In questo [nuovo] progetto, gli atomi condividono tutti la stessa etichetta di spin; l'unica differenza è che ogni atomo è in una sovrapposizione tra due stati di quantità di moto," ha spiegato lo studente laureato e primo autore Chengyi Luo.

I ricercatori hanno scoperto che potevano controllare meglio il rinculo atomico forzando gli atomi a scambiare fotoni e le energie ad essi associate. Similmente a un gioco di palla avvelenata, un atomo può "lanciare" una "palla avvelenata" (un fotone) e rincularsi nella direzione opposta. Quella "palla schivata" può essere catturata da un secondo atomo, che può causare la stessa quantità di rinculo per questo secondo atomo. Ciò annulla i due rinculi subiti da entrambi gli atomi e ne calcola la media per l'intero sistema di cavità.

Quando due atomi scambiano le loro diverse energie fotoniche, il pacchetto d'onda risultante (la distribuzione d'onda di un atomo) in sovrapposizione forma un grafico della quantità di moto noto come reticolo di densità, che assomiglia a un pettine a denti fini.

Luo ha aggiunto:"La formazione del reticolo di densità indica che due stati della quantità di moto [all'interno dell'atomo] sono 'coerenti' tra loro in modo tale da poter interferire [tra loro]." I ricercatori hanno scoperto che lo scambio di fotoni tra atomi provocava un legame dei pacchetti d'onda dei due atomi, quindi non si trattava più di misurazioni separate.

I ricercatori potrebbero indurre lo scambio di quantità di moto esplorando l’interazione tra il reticolo di densità e la cavità ottica. Poiché gli atomi si scambiavano energia, qualsiasi rinculo derivante dall'assorbimento di un fotone veniva disperso nell'intera comunità di atomi anziché nelle singole particelle.

Smorzare lo spostamento Doppler

Utilizzando questo nuovo metodo di controllo, i ricercatori hanno scoperto che potevano anche utilizzare questo sistema di smorzamento del rinculo per contribuire a mitigare un problema di misurazione separato:lo spostamento Doppler.

Lo spostamento Doppler, un fenomeno della fisica classica, spiega perché il suono di una sirena o di un clacson cambia tono quando passa davanti a un ascoltatore o perché certe stelle appaiono rosse o blu nelle immagini del cielo notturno:è il cambiamento nella frequenza dell'onda come la sorgente e l'osservatore si avvicinano (o si allontanano) l'uno dall'altro. Nella fisica quantistica, lo spostamento Doppler descrive il cambiamento di energia di una particella dovuto al movimento relativo.

Per ricercatori come Luo, lo spostamento Doppler può essere una sfida da superare per ottenere una misurazione precisa. "Quando si assorbono fotoni, il rinculo atomico porterà a uno spostamento Doppler della frequenza del fotone, il che è un grosso problema quando si parla di spettroscopia di precisione", ha spiegato. Simulando il loro nuovo metodo, i ricercatori hanno scoperto che poteva superare la distorsione della misurazione dovuta allo spostamento Doppler.

Scambio di slancio intrappolante

I ricercatori hanno anche scoperto che lo scambio di quantità di moto tra questi atomi potrebbe essere utilizzato come una sorta di entanglement quantistico. Come ha detto John Wilson, uno studente laureato del gruppo Holland:"Quando un atomo cade, il suo movimento fa oscillare la frequenza della cavità. Ciò, a sua volta, incoraggia altri atomi a sentire collettivamente quel meccanismo di feedback e li spinge a correlare il loro movimento attraverso il vacillamenti condivisi."

Per testare ulteriormente questo “entanglement”, i ricercatori hanno creato una separazione più grande tra gli stati di quantità di moto degli atomi e poi hanno indotto lo scambio di quantità di moto. I ricercatori hanno scoperto che gli atomi continuavano a comportarsi come se fossero collegati. "Ciò indica che i due stati della quantità di moto oscillano davvero l'uno rispetto all'altro come se fossero collegati da una molla", ha aggiunto Luo.

Guardando al futuro, i ricercatori intendono sondare ulteriormente questa nuova forma di entanglement quantistico, sperando di comprendere meglio come possa essere utilizzata per migliorare vari tipi di dispositivi quantistici.