量子模擬突破：原子間距縮小至50納米

研究人員開發出一種技術，可以將原子排列間隔縮小至50納米。
圖片來源：物理學家組織網

科技日報北京5月5日電 （記者張佳欣）利用量子模擬器將原子盡可能緊密地排列在一起，有助科學家探索奇異物質狀態，構建新型量子材料。傳統上，這些模擬器捕獲原子的間隔至少為500納米。現在，美國麻省理工學院研究人員開發出一種新技術，突破了這一限制，將原子間距離縮小到原來的1/10，相距僅50納米。相關研究發表在最新一期《科學》雜志上。

在量子力學領域，鄰近性占據主導地位。原子越近，它們的相互作用就越強。為了操縱和排列原子，科學家通常先將一團原子云冷卻到接近絕對零度，然后使用激光束系統將原子限制在光陷阱中。此次，研究團隊首先將原子云冷卻到大約1微開爾文，僅比絕對零度高一點點，此時原子幾乎處于靜止狀態。然后，他們用激光將冷凍粒子移動到所需位置。

研究人員使用了兩束具有不同頻率（顏色）和偏振角度的激光。當兩束光穿過超冷原子云時，原子會沿著兩束激光的偏振方向調整自旋方向，使光束產生兩組相同原子，但是自旋相反。

每束激光形成一個駐波，即電場強度在空間上呈周期性變化的圖案，其空間周期為500納米。由于它們的偏振不同，每個駐波都會吸引和聚集兩組原子中的一組，這取決于它們的自旋。激光可重疊和調諧，使得它們各自的峰值之間距離只有50納米，這意味著每個激光峰值所吸引的原子將以同樣的50納米隔開。

實驗中所用原子為鏑，鏑是自然界最具磁性的原子之一。研究團隊用這種新方法操縱兩層鏑原子，并將兩層之間的距離精確地定位為50納米。在這種極近距離下，磁相互作用比兩層之間相隔500納米的情況強1000倍。

研究團隊發現，因原子接近而增強的磁力會導致“熱化”，即熱量從一層傳遞到另一層，以及各層之間的同步振蕩。當層之間的距離拉大，這些效應就會逐漸減弱。

研究人員表示，新技術還可用其他原子來研究量子現象。他們計劃用該技術來操縱原子，使其形成一個純磁性量子門，這是一種新型量子計算機的關鍵組成部分。