Los investigadores de JILA tienen, por primera vez, grupos aislados de unos pocos átomos y midieron con precisión sus interacciones de múltiples partículas dentro de un reloj atómico. El avance ayudará a los científicos a controlar la materia cuántica en interacción, que se espera que aumente el rendimiento de los relojes atómicos, muchos otros tipos de sensores, y sistemas de información cuántica.

La investigación se describe en un Naturaleza artículo publicado temprano en línea el 31 de octubre. JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

Los científicos del NIST han estado prediciendo la física de "muchos cuerpos" y sus beneficios durante años, pero el nuevo trabajo de JILA proporciona la primera evidencia cuantitativa de lo que sucede exactamente cuando se juntan unos pocos fermiones, átomos que no pueden estar en el mismo estado cuántico y ubicación al mismo tiempo.

"Estamos tratando de comprender el surgimiento de la complejidad cuando múltiples partículas, los átomos aquí, interactúan entre sí, "NIST y JILA Fellow Jun Ye dijo." Aunque podemos entender perfectamente las reglas sobre cómo interactúan dos átomos, cuando se juntan varios átomos, siempre hay sorpresas. Queremos comprender las sorpresas cuantitativamente ".

Las mejores herramientas actuales para medir cantidades como el tiempo y la frecuencia se basan en el control de partículas cuánticas individuales. Este es el caso incluso cuando se utilizan conjuntos de miles de átomos en un reloj atómico. Estas medidas se están acercando al llamado límite cuántico estándar, una "pared" que impide mejoras adicionales utilizando partículas independientes.

El aprovechamiento de las interacciones de muchas partículas podría empujar esa pared hacia atrás o incluso romperla, porque un estado cuántico diseñado podría suprimir las colisiones de átomos y proteger los estados cuánticos contra la interferencia, o ruido. Además, Los átomos en tales sistemas podrían arreglarse para cancelar el ruido cuántico de los demás, de modo que los sensores mejoren a medida que se agregan más átomos. promete grandes avances en precisión y capacidad de transporte de datos.

En la nueva investigación, el equipo de JILA utilizó su reloj de celosía de estroncio tridimensional], que ofrece un control átomo preciso. Crearon matrices de entre uno y cinco átomos por celda de celosía, y luego usó un láser para configurar el "tic-tac" del reloj, "o cambiar a una frecuencia específica entre dos niveles de energía en los átomos. La nueva técnica de imagen de JILA se utilizó para medir los estados cuánticos de los átomos.

Los investigadores observaron resultados inesperados cuando tres o más átomos estaban juntos en una célula. Los resultados no fueron lineales, o imprevisto basado en experiencias pasadas, un sello distintivo de las interacciones de múltiples partículas. Los investigadores combinaron sus mediciones con predicciones teóricas de los colegas del NIST, Ana Maria Rey y Paul Julienne, para concluir que ocurrieron interacciones de múltiples partículas.

Específicamente, La frecuencia del reloj cambió de manera inesperada cuando tres o más átomos estaban en un sitio de red. El cambio es diferente de lo que cabría esperar al sumar varios pares de átomos. Por ejemplo, cinco átomos por celda causaron un cambio del 20 por ciento en comparación con lo que normalmente se esperaría.

"Una vez que obtienes tres átomos por celda, las reglas cambian, "Ye dijo. Esto se debe a que los espines nucleares de los átomos y las configuraciones electrónicas juegan juntos para determinar el estado cuántico general, y los átomos pueden interactuar todos simultáneamente en lugar de en pares, él dijo.

Los efectos de múltiples partículas también aparecieron en celdas de celosía abarrotadas en forma de un inusual, proceso de descomposición rápido. Dos átomos por tríada formaron una molécula y un átomo quedó suelto, pero todos tenían suficiente energía para escapar de la trampa. Por el contrario, es probable que un solo átomo permanezca en una celda durante mucho más tiempo, Vosotros dijiste.

"Lo que esto significa es, podemos asegurarnos de que solo haya un átomo por celda en nuestro reloj atómico, "Ye dijo." La comprensión de estos procesos nos permitirá descubrir un mejor camino para hacer relojes mejorados, ya que las partículas interactuarán inevitablemente si empaquetamos suficientes de ellas cerca para mejorar la intensidad de la señal ".

El equipo de JILA también descubrió que empaquetar tres o más átomos en una célula podría resultar en estados altamente enredados, lo que significa que las propiedades cuánticas de los átomos estaban vinculadas de manera estable. Este sencillo método de entrelazar múltiples átomos puede ser un recurso útil para el procesamiento de información cuántica.