"Sztuczne pola magnetyczne" neutralnych atomów

Badacze z Joint Quantum Institute - finansowanej publicznie amerykańskiej organizacji badawczej specjalizującej się w fizyce kwantowej, ze szczególnym uwzględnieniem informatyki kwantowej - odkryli nowy potencjał w ultrazimnych cząstkach gazów. We współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Maryland stworzyli "sztuczne" pole magnetyczne ultrazimnych atomów gazu, faktycznie "oszukując" neutralne atomy tak, że zachowują się jakby były one elektrycznie naładowanymi cząstkami poddanymi prawdziwemu polu magnetycznemu.

Demonstracja opisana w najnowszym numerze czasopisma "Nature", nie tylko otwiera drogę do eksploracji całego kompleksu naturalnych zjawisk związanych z naładowanymi cząstkami w polu magnetycznym, ale również może przyczynić się do powstania nowej egzotycznej formy komputerów kwantowych.

W miarę jak naukowcy stawali coraz bardziej biegli w tworzeniu i manipulacji gazowymi zbiorami atomów o temperaturze w okolicy zera bezwzględnego, te ultrazimne gazy stały się idealnym środowiskiem do badania złożonych zachowań układów materialnych. W przeciwieństwie do zwykłych krystalicznych materiałów, nie posiadają one maskujących właściwości, takich jak atomy zanieczyszczeń, które istnieją w normalnych ciałach stałych i cieczach. Jednakże badanie wpływu pola magnetycznego jest problematyczne, ponieważ gazy są wykonane z neutralnych atomów i dlatego nie reagują na pole magnetyczne w taki sam sposób jak cząstki naładowane. Więc w jaki sposób symulować, tak istotne egzotyczne zjawiska kwantowe, jak na przykład zjawisko Halla, w którym elektrony mogą "podzielić się" na quasi-cząstki posiadające jedynie część ładunku elektrycznego elektronu?

Odpowiedzią naukowców z USA jest sprytny „fizyczny trick”, polegający na zmuszeniu neutralnych atomów, aby zachowywały się w sposób, który jest matematycznie identyczny do ruchu naładowanych cząstek w polu magnetycznym. Dwie wiązki lasera oświetlają ultrazimną chmurę gazu atomów rubidu już w stanie znanym jako kondensat Bosego-Einsteina. Światła lasera łączą wewnętrzną energię atomów z energią zewnętrzną (kinetyczną), zmieniając relację między ich energią i pędem. Jednocześnie naukowcy wystawiali atomy na działanie prawdziwego pola magnetycznego, które zmieniało się w jednym kierunku, tak aby zmiany zachodziły także zgodnie z tym kierunkiem.



W dziwnej inwersji, laserowo podświetlane neutralne atomy reagują na różne pola magnetyczne w sposób matematycznie równoważny z tym, jak naładowane cząstki reagują na jednolite pole magnetyczne. Na neutralne atomy oddziałuje siła w kierunku prostopadłym zarówno do kierunku ruchu i kierunku gradientu pola magnetycznego w pułapkę. Aby „oszukać” w ten sposób atomy, badacze stworzyli wiry, w których atomy świdrują w chmurach gazu. Wiry są według badaczy niezbitym dowodem na obecność sztucznego pola magnetycznego.

Wcześniej inni naukowcy fizycznie odwirowali ultrazimne atomy gazów, aby symulować efekt pola magnetycznego, ale rotujące gazy są niestabilne i mają tendencję do tracenia atomów przy najwyższych wskaźnikach rotacji. Kolejnym krokiem naukowców z Joint Quantum Institute ma być podział prawie kulistego systemu 20.000 atomów rubidu w stos około 100 dwuwymiarowych "placków" oraz zwiększenie ich obecnie obserwowanego zbioru 12 wirów do około 200 na „placek”. Przy jednym wirze przypadającym na atom, mogli obserwować kwantowe zjawisko Halla i kontrolować je w bezprecedensowy sposób. Mają natomiast nadzieję „zmusić” atomy, aby zachowywały się jak klasa quasi-cząstek znanych jako "aniony nieabelowe”, wymagana składowa „topologicznie kwantowych komputerów", w którym aniony krążące w gazach będą wykonywać operacje logiczne na podstawie praw mechaniki kwantowej.

Więcej informacji: Y.J. Lin, R.L. Compton, K. Jimenez-Garcia, J.V. Porto and I.B. Spielman. Synthetic magnetic fields for ultracold neutral atoms. Nature, Dec. 3, 2009.

Źródło: National Institute of Standards and Technology, physorg.com