Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jak přiblížit atomy co nejblíž k sobě a zkoumat pak takto vzniklé exotické stavy hmoty? Obvykle to vědci dělají tak, že atomy maximálně ochladí a pak pomocí laserového světla zachytí částice do optické pasti, tak blízko sebe, že jsou od sebe vzdáleny až 500 nanometrů. Tento limit je dán vlnovou délkou světla. Nyní fyzikové z MITu vyvinuli techniku, která jim umožňuje uspořádat atomy do mnohem větší blízkosti, až na pouhých 50 nanometrů. Pro srovnání, červená krvinka je široká asi 1 000 nanometrů.
Nový přístup, stejně jako současné techniky, začíná ochlazením mraku atomů – v tomto případě asi na 1 mikrokelvin. V tomto okamžiku se atomy téměř zastaví. Fyzikové pak mohou pomocí laserů přemístit zmrzlé částice do požadovaných konfigurací.
Liu Du (hlavní autor práce, MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms) a jeho spolupracovníci pak pracovali se dvěma laserovými paprsky, z nichž každý měl jinou frekvenci (barvu) a kruhovou polarizaci (odpovídá směru elektrického pole). Když tyto dva paprsky projdou přes přechlazený oblak atomů, mohou atomy orientovat svůj spin opačným směrem, podle jedné z polarizací obou laserů. Výsledkem je, že paprsky vytvářejí dvě skupiny stejných atomů, pouze s opačnými spiny.
„Každý z obou paprsků vytvořil stojatou vlnu, periodický vzor intenzity elektrického pole s periodou 500 nanometrů. Díky rozdílné polarizaci každá stojatá vlna přitahovala a soustřeďovala jednu ze dvou skupin atomů v závislosti na jejich spinu. Lasery bylo možné překrýt a naladit tak, aby vzdálenost mezi jejich příslušnými vrcholy byla pouhých 50 nanometrů, což znamená, že atomy přitahované k vrcholům každého příslušného laseru od sebe dělilo stejných 50 nanometrů,“ uvádí průvodní tisková zpráva.
K tomu ovšem bylo potřeba, aby lasery byly extrémně stabilní a chráněné před šumem. Toho vědci dosáhli tím, oba lasery nasměrovali přes optické vlákno.
Fyzikové demonstrovali nový přístup při experimentech s dysprosiem, které je vůbec nejmagnetičtějším prvkem. Nový přístup použili k manipulaci se dvěma vrstvami atomů dysprosia a umístili je přesně 50 nanometrů od sebe. Při této extrémní blízkosti byly magnetické interakce tisíckrát silnější, než kdyby vrstvy byly od sebe vzdáleny 500 nanometrů (tedy limit dosavadní techniky).
Vědcům se pak podařilo změřit dva nové efekty způsobené blízkostí atomů. Jejich zesílené magnetické síly způsobily „termalizaci“, tj. přenos tepla z jedné vrstvy do druhé (čistě prostřednictvím magnetických fluktuací atomů, obě vrstvy oddělovalo vakuum a nebyly v „mechanickém“ kontaktu) a také synchronizované oscilace mezi vrstvami (vibrace jedné vrstvy způsobily synchronní vibrace té druhé). Tyto efekty slábly, jakmile se vrstvy od sebe vzdálily.
Autoři studie plánují použít tuto techniku k manipulaci s atomy do konfigurací, které by mohly vytvořit první čistě magnetické kvantové hradlo – klíčový stavební prvek pro nový typ kvantového počítače.
Li Du et al, Atomic physics on a 50-nm scale: Realization of a bilayer system of dipolar atoms, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adh3023. www.science.org/doi/10.1126/science.adh3023
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / MIT News / Phys.org, přeloženo, zkráceno
