De natuurkundigen hebben twee atomen opgepikt die met elkaar ‘praten’

Een team van natuurkundigen uit Nederland en Duitsland plaatste onlangs een groep titaniumatomen onder een tunnelmicroscoop. Deze atomen waren in continue en stille interactie met elkaar door de richtingen van hun rotatie. In een slimme doorbraak waren wetenschappers in staat om een ​​enkel paar atomen te vinden dat een van hen verbindt met een elektrische stroom om de rotatie ervan te veranderen. Vervolgens maten ze de reactie van de partner.

Wanneer twee atomen een coherente spin hebben, wordt dit als een kwantumwond beschouwd. Deze spin betekent dat het gedrag van het ene atoom een ​​direct effect heeft op het andere, en de theorie is dat dit ook bij scheiding waar moet blijven. Lange afstanden. In dit geval waren de titaniumatomen gescheiden door iets meer dan een nanometer (een miljoenste van een millimeter), zo dichtbij dat de twee deeltjes met elkaar konden interageren, maar ver genoeg weg dat de tools van het team de interactie konden detecteren.

“De belangrijkste ontdekking is dat we het gedrag van atomaire spin in de loop van de tijd hebben kunnen observeren als gevolg van hun onderlinge interactie”, zegt co-auteur Sander Otti, een kwantumfysicus bij het Kavli Institute for Nanoscience. Aan de Technische Universiteit Delft in Nederland. Acht legden in een e-mail uit dat wetenschappers voorheen de sterkte van verschillende atoomcycli konden meten en het effect van deze kracht op het energieniveau van een atoom. Dankzij dit experiment konden ze deze reactie echter in de loop van de tijd volgen.

De grote hoop van experimentele fysica is dat onderzoekers ooit kwantuminteracties kunnen simuleren volgens hun eigen wensen, door een kwantumsysteem aan hun eigen wensen aan te passen en te kijken hoe de kwantummechanica zich ontvouwt. In feite deden de wetenschappers precies dat door een specifieke actie op een enkel atoom af te vuren en te observeren hoe het atoom ernaast op elkaar inwerkt.

“Dit is een heel coole demonstratie van een heel eenvoudige kwantumsimulatie”, zei Ella Lachman, een kwantumfysicus van de University of California in Berkeley die niet betrokken was bij de nieuwe studie. “Door de posities van de atomen te controleren, kunnen we theoretisch een versie van het rooster of een willekeurig systeem bouwen waarvan we de dynamiek willen bestuderen.”

Het team koos ervoor om met titaniumatomen te werken omdat ze zo min mogelijk kansen hebben om ze omhoog of omlaag te laten draaien. Titaniumatomen werden aan het oppervlak van magnesiumoxide gehecht en voor onderzoek op hun plaats gehouden. Gestapeld op dit oppervlak, dat in een vacuüm is gehouden van ongeveer één graad Kelvin, of -457,87 Fahrenheit, kunnen natuurkundigen atomen afzonderlijk selecteren onder de punt van de microscoop (hier Video Legt uit hoe het werkt). Vervolgens konden ze de rotatie van het atoom omkeren door het atoom in een paar te raken met een elektrische puls, waardoor een onmiddellijke reactie van de buurman ontstond. Otti zei dat deze reacties kunnen worden voorspeld door de wetten van de kwantummechanica. (Als je “klop wegen” zegt, kun je er zeker van zijn dat het volgende deeltje zal antwoorden: “Wie is daar?”) Het hele proces duurde ongeveer 15 nanoseconden, of 15 miljardsten van een seconde. Het was zijn zoektocht Gepubliceerd Vandaag in de wetenschap.

Er zijn andere manieren om de kwantumwereld te lezen. Wetenschappers kunnen interacties tussen atomen oproepen door de spin te veranderen in een enkel atoom, maar deze onderlinge verbinding verloopt zo snel dat typische observatiemethoden, zoals Rotatieresonantie techniekIk kan het niet oppakken. Kwantumwetenschappers Het maakt vaak gebruik van microgolfpulsen Om een ​​verandering in de toestand van atomen te bewerkstelligen of de kwantummechanica te observeren, maar deze elektrische pulsbenadering gaf het team de mogelijkheid om de kleinste interacties te voelen. Komt overeen met één DM-atoom.

Methoden zoals rotatieresonantietechnieken zijn “erg traag”, zei Lucas Feldman, een kwantumfysicus bij het Cavelli Institute for Nanoscience. ved Technische Universiteit Delft, Delft vrijlating. ‘Hij begon net te draaien of de andere begon te draaien. Op die manier kun je nooit nagaan wat er gebeurt als je de twee beurten in de tegenovergestelde richting draait.’

Otti zei dat de echte magie van dit onderzoek nog moet worden gerealiseerd. Aangezien deze ontdekking de rotatiereflux tussen twee atomen in kaart brengt, wordt de situatie complexer voor elk atoom dat u aan de vergelijking toevoegt. U kunt zich een telefoonspel voorstellen waarin deelnemers de boodschap op dezelfde manier konden doorgeven en fluisteren. Berichten uit verschillende richtingen beginnen elkaar te kruisen en de communicatie te verstoren.

“Zoals altijd zijn spelmodellen prima, maar zodra we de complexiteit toevoegen die er echt toe doet, worden de vragen over hun metingen en hun interpretaties complexer”, aldus Lachman. “Kun je hetzelfde experiment doen met drie atomen terwijl je maar één atoom meet? Misschien wel, maar de interpretatie van de procedure wordt ingewikkelder. Hoe zit het met tien atomen? Twintig?” Tijd en vindingrijkheid zullen uitwijzen of dit een geweldige demo is van een spelmodel of iets meer diepgang. Gevonden. “

Acht benadrukten ook de verrassende uitdagingen van het inhalen van een eenvoudig twee-atoomsysteem. “Als we maximaal 20 beurten gebruiken, kan mijn laptop niet berekenen wat er aan de hand was. In 50 ronden geven de beste supercomputers ter wereld het op, enzovoort”, zei Otte. “Als we precies willen begrijpen hoe het complexe gedrag van bepaalde materialen tot stand komt (een uitstekend voorbeeld is supergeleiding), moeten we materialen helemaal opnieuw ‘bouwen’ en kijken hoe de wetten van de fysica evolueren door te stijgen van 10 naar 100 naar 1000.” Supergeleiding verwijst naar materialen die zonder weerstand elektriciteit kunnen overbrengen, wat alleen mogelijk is bij zeer lage temperaturen. Dit is de reden om er een te ontwikkelen Een supergeleider bij kamertemperatuur is de heilige graal van de natuurkunde.. Het zal de wereld compleet veranderen.

Maar het is in deze grote aantallen dat je kennis begint te maken met de ultieme prijzen. In plaats van een jota van hart tot hart te luisteren, kunnen wetenschappers eindelijk het geruis horen van kwantumgesprekken met veel atomen terwijl ze bewegen. Voor dergelijke dilemma’s hebben we natuurlijk betere computers nodig, maar zelfs de kleinste interacties hebben hun eigen betekenis, als initiatiefnemers van een groter gesprek.

Meer: wanneer zullen kwantumcomputers gewone computers vervangen?