接近是許多量子現象的關鍵，因為當粒子接近時，原子間的相互作用會更強。在許多量子模擬器中，科學家將原子盡可能地排列在一起，以探索奇異的物質狀態，並建構新的量子材料。這項技術為探索物質的奇異狀態和製造新型量子材料提供了可能性。

麻省理工學院的物理學家們開發了一種技術，可以將原子（用箭頭表示的球體）排列得比以前更緊密，最小可達50 奈米。研究小組計劃利用這種方法將原子操縱到可以產生第一個純磁性量子閘的配置中–這是新型量子電腦的關鍵構件。在這張圖片中，磁相互作用由彩色線條表示。圖片來源：研究人員提供；麻省理工學院新聞

他們通常的做法是將原子冷卻到靜止狀態，然後用雷射將粒子排列到相距500 奈米的位置–這個限制是由光波長決定的。現在，麻省理工學院的物理學家們開發了一種技術，可以將原子排列得更近，最小僅為50 奈米。一個紅血球的寬度約為1000 奈米。

物理學家在鏑實驗中展示了這種新方法，鏑是自然界中磁性最強的原子。他們利用新方法操縱了兩層鏑原子，並將兩層原子精確定位在50 奈米之間。在這種極端接近的情況下，磁相互作用的強度是相隔500 奈米的兩層原子的1000 倍。

不同顏色的雷射用於冷卻和捕獲鏑原子。圖片來源：研究人員提供

更重要的是，科學家們能夠測量原子接近所產生的兩種新效應。它們增強的磁力導致了”熱化”，即熱量從一層傳遞到另一層，以及層間的同步振盪。當原子層之間的距離越遠，這些效應就越弱。

麻省理工學院約翰-麥克阿瑟物理學教授沃夫岡-凱特爾（Wolfgang Ketterle）說：”我們已經把原子的間距從500 納米提高到50 納米，可以利用這一點做很多事情。在50 納米處，原子的行為有了很大的不同，我們正在進入一個新的領域。

凱特爾和他的同事說，這種新方法可以應用於許多其他原子，以研究量子現象。研究小組計劃利用這種技術將原子操縱成可以產生第一個純磁性量子閘的構型–這是新型量子電腦的關鍵構件。

研究小組於5月2日在《科學》雜誌上發表了他們的研究成果。研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃爾-巴拉爾、邁克爾-坎塔拉、朱利葉斯-德-洪德和盧宇坤–他們都是麻省理工學院-哈佛超冷原子中心、物理系和電子研究實驗室的成員。

研究人員調整雷射系統的控制電子裝置。圖片來源：研究人員提供

為了操縱和排列原子，物理學家通常首先將原子雲冷卻到接近絕對零度的溫度，然後使用雷射光束系統將原子集中到一個光學陷阱中。

雷射是一種具有特定波長（電場最大值之間的距離）和頻率的電磁波。波長將光所能形成的最小圖案限制在500 奈米，即所謂的光學解析度極限。由於原子會被特定頻率的雷射吸引，因此原子會被定位在雷射強度的峰值點上。因此，現有技術對原子粒子的定位距離有限，無法用來探索在較短距離內發生的現象。

凱特爾解釋說：”傳統技術止步於500 奈米，受限的不是原子，而是光的波長。我們現在發現了一種新的光技巧，可以突破這一限制。”

該團隊的新方法與目前的技術一樣，首先冷卻原子雲–在這種情況下，冷卻到大約1 微開爾文，僅比絕對零度高出一線–此時，原子接近靜止。然後，物理學家可以使用雷射將凍結的粒子移動到所需的構型中。

然後，杜和他的合作者使用了兩束激光，每束激光都有不同的頻率（即顏色）和圓偏振（即激光電場的方向）。當這兩束雷射穿過超冷原子雲時，原子會沿著兩束雷射中任何一束的偏振，朝相反的方向自旋。結果，兩束雷射產生了兩組相同的原子，只是自旋方向相反。

每束雷射都形成了一個駐波，即空間週期為500 奈米的電場強度週期性模式。由於它們的偏振不同，每個駐波都能根據原子的自旋吸引和捕獲兩組原子中的一組。雷射可以疊加和調整，使其各自峰值之間的距離小到50 奈米，這意味著被引力吸引到各自雷射峰值的原子將被同樣的50 奈米分開。

但要做到這一點，雷射必須非常穩定，不受任何外部噪音的影響，例如實驗中的震動甚至呼吸聲。研究小組意識到，他們可以透過一根光纖來引導這兩束激光，從而使它們保持穩定。

杜力說：”透過光纖發送兩束雷射的想法意味著整台機器可能會劇烈晃動，但兩束雷射彼此保持絕對穩定。”

作為對新技術的首次測試，研究小組使用了鏑原子–一種稀土金屬，它是元素週期表中磁性最強的元素之一，尤其是在超低溫條件下。然而，在原子尺度上，該元素的磁相互作用在500 奈米的距離上也相對較弱。就像普通冰箱磁鐵一樣，原子之間的磁吸引力會隨著距離的增加而增加，科學家懷疑，如果他們的新技術能將鏑原子間隔到50 奈米的距離，就可能觀察到磁性原子之間原本微弱的相互作用。

坎塔拉說：”我們可能會突然產生磁相互作用，這種作用過去幾乎可以忽略不計，但現在卻非常強大。”

研究小組將他們的技術應用於鏑，首先對原子進行過冷處理，然後透過兩束雷射將原子分成兩個自旋組或自旋層。他們發現，兩層鏑原子確實向各自的雷射峰引力，這實際上將原子層分開了50 奈米–這是任何超冷原子實驗所能達到的最近距離。

在這種極度接近的情況下，原子的自然磁性相互作用得到了顯著增強，比相距500 奈米的原子強1000 倍。研究小組觀察到，這些相互作用產生了兩種新的量子現象：集體振盪，即一層的振動導致另一層同步振動；熱化，即一層純粹透過原子的磁波動將熱量傳遞給另一層層。

杜指出：”到目前為止，只有當原子處於同一物理空間並發生碰撞時，它們之間才能交換熱量。現在，我們看到了被真空隔開的原子層，它們通過波動的磁場交換熱量。”

該團隊的研究成果引入了一種新技術，可用於將多種類型的原子靠近放置。他們還表明，當原子放置得足夠近時，會表現出有趣的量子現象，可以利用這些現象來製造新的量子材料，並有可能製造出用於量子電腦的磁驅動原子系統。

坎塔拉說：「我們將超解析度方法帶入了這一領域，它將成為進行量子模擬的通用工具。可能有許多變體，我們正在研究這些變體」。

編譯來源：ScitechDaily