這項技術爲探索物質的奇異狀態和構建新的量子材料提供了可能性。

接近是許多量子現象的關鍵，因爲當粒子靠近時，原子之間的相互作用更強。在許多量子模擬器中，科學家將原子盡可能地排列在一起，以探索物質的奇異狀態並構建新的量子材料。

原子排列的突破

他們通常是這樣做的：將原子冷卻到靜止狀態，然後使用激光將粒子定位到距離500納米的地方 —— 這是由光的波長設定的極限。現在，麻省理工學院的物理學家們已經開發出一種技術，可以讓他們把原子排列得更近，只有50納米。作爲參考背景，一個紅細胞大約有1000納米寬。

物理學家在镝的實驗中展示了這種新方法，镝是自然界中磁性最強的原子。他們使用這種新方法來操縱兩層镝原子，並將這兩層精確地間隔50納米。在這種極端接近的情況下，磁相互作用比層間距爲500納米時強1000倍。

增強磁效應

更重要的是，科學家們能夠測量到原子接近引起的兩種新效應。它們增強的磁力引起了“熱化”，即熱量從一層傳遞到另一層，以及層與層之間的同步振蕩。隨著各層之間的間隔越來越遠，這些影響逐漸消失。

麻省理工學院約翰·d·麥克阿瑟物理學教授沃爾夫岡·凱特勒說：“我們已經將原子的間距從500納米提高到50納米，而且你可以用它做很多事情。在50納米，原子的行爲是如此不同，我們真的進入了一個新的領域。”

凱特勒和他的同事說，這種新方法可以應用于許多其他原子來研究量子現象。對于他們來說，該小組計劃使用這項技術來操縱原子形成可以産生第一個純磁性量子門的結構，這是一種新型量子計算機的關鍵組成部分。

該團隊在5月2日的《科學》雜志上發表了他們的研究結果。該研究的共同作者包括主要作者、物理學研究生李杜，以及皮埃爾·巴拉爾、邁克爾·坎塔拉、朱利斯·德·洪和呂玉昆 —— 他們都是麻省理工學院-哈佛大學超冷原子中心、物理系和麻省理工學院電子研究實驗室的成員。

用激光操縱原子

爲了操縱和排列原子，物理學家通常首先將原子雲冷卻到接近絕對零度的溫度，然後使用激光束系統將原子聚集到一個光學陷阱中。

激光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。波長限制了光可以形成的最小圖案，通常爲500納米，即所謂的光學分辨率限制。由于原子被一定頻率的激光所吸引，原子將被定位在激光強度的峰值處。由于這個原因，現有的技術在定位原子粒子的距離上受到限制，而且無法用于探索發生在更短距離的現象。

“傳統的技術止步于500納米，不受原子的限制，而是受光的波長的限制，”凱特勒解釋說。“我們現在已經找到了用光的新方法，我們可以突破這個極限。”

這個團隊的新方法，就像目前的技術一樣，從冷卻原子雲開始 —— 在這種情況下，冷卻到大約1微開爾文，只比絕對零度高一點點 —— 在這一點上，原子接近靜止。然後，物理學家可以使用激光將凍結的粒子移動到所需的結構中。

然後，研究人員使用兩束激光，每束都有不同的頻率或顔色，以及圓偏振，或激光電場的方向。當兩束激光穿過超冷的原子雲時，原子可以根據兩束激光中的任何一束的偏振方向，將它們的自旋定向到相反的方向。結果是，光束産生了兩組相同的原子，只是自旋相反。

每個激光束形成一個駐波，一個空間周期爲500納米的電場強度的周期性模式。由于它們的極化不同，每個駐波吸引並包圍了兩組原子中的一組，這取決于它們的自旋。這些激光器可以被疊加和調諧，使它們各自的峰值之間的距離小到50納米，這意味著被每個激光器各自的峰值所吸引的原子將被相同的50納米分開。

但爲了實現這一目標，激光必須非常穩定，並且不受所有外部噪音的影響，比如實驗中的震動甚至呼吸。該團隊意識到，他們可以通過引導兩束激光通過光纖來穩定它們，光纖可以將光束鎖定在彼此相關的位置。

研究人員表示：“通過光纖發送兩束激光束的想法意味著整個機器可能會劇烈搖晃，但兩束激光束彼此之間保持絕對穩定。”

磁力和量子現象

作爲他們新技術的第一次測試，研究小組使用了镝原子 —— 一種稀土金屬，它是元素周期表中磁性最強的元素之一，尤其是在超冷的溫度下。然而，在原子的尺度上，即使在500納米的距離上，元素的磁相互作用也相對較弱。就像普通的冰箱磁鐵一樣，原子之間的磁性吸引力隨著距離的增加而增加，科學家們懷疑，如果他們的新技術可以使镝原子之間的距離接近50納米，他們可能會觀察到磁性原子之間弱相互作用的出現。

凱特勒說：“我們可能會突然出現磁相互作用，這種相互作用過去幾乎可以忽略不計，但現在非常強大。”

該團隊將他們的技術應用于镝，首先對原子進行過冷，然後通過兩束激光將原子分裂成兩個自旋基團或層。然後他們引導激光通過一根光纖來穩定它們，並發現確實，兩層镝原子被吸引到各自的激光峰，這實際上將原子層分開了50納米 —— 這是任何超冷原子實驗所能達到的最接近的距離。

在這種極近的距離下，原子的自然磁性相互作用顯著增強，比它們相距500納米時強1000倍。研究小組觀察到，這些相互作用導致了兩種新的量子現象：集體振蕩，其中一層的振動導致另一層同步振動；還有熱化，一層將熱量傳遞給另一層，純粹是通過原子的磁波動。

“到目前爲止，原子之間的熱量只有在它們處于相同的物理空間並且可以碰撞時才能交換，”研究人員指出。“現在我們已經看到了由真空分離的原子層，它們通過波動的磁場交換熱量。”

對量子技術的影響

該團隊的研究結果引入了一種新技術，可用于近距離定位多種類型的原子。他們還表明，原子如果放置得足夠近，可以表現出有趣的量子現象，可以用來構建新的量子材料，並有可能用于量子計算機的磁驅動原子系統。

凱特勒說：“我們正在將超分辨率方法引入該領域，它將成爲進行量子模擬的通用工具。有很多可能的變體，我們正在研究。”

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