اپتیک و کوانتوم

در مقاله جدیدی که در Science منتشر شده است، آنا ماریا ری و جیمز تامپسون، همکاران JILA و NIST، موری هلند، و تیم‌هایشان راهی برای غلبه بر این پس‌زدگی اتمی با نشان دادن نوع جدیدی از برهمکنش اتمی به نام برهمکنش مبادله تکانه پیشنهاد کردند. محققان با استفاده از یک کاواک مشاهده کردند که پس‌زدگی اتمی توسط اتم‌ها که حالات انرژی را در فضای محدود مبادله می‌کنند، کاهش می‌یابد. این فرآیند جذب جمعی انرژی را ایجاد کرد و پس زدن را در بین کل جمعیت ذرات پراکنده کرد. با این نتایج، محققان دیگر می‌توانند کاواک هایی را برای کاهش پس‌زدگی و دیگر اثرات بیرونی در طیف وسیعی از آزمایش‌ها طراحی کنند، که می‌تواند به فیزیکدانان کمک کند تا سیستم‌های پیچیده را بهتر درک کنند یا جنبه‌های جدیدی از فیزیک کوانتومی را کشف کنند. برای اولین بار، برهمکنش مبادله تکانه برای القای دینامیک چرخش یک محور (OAT)، جنبه ای از درهم تنیدگی کوانتومی، بین حالات تکانه اتمی مشاهده شد. OAT مانند یک نوار کوانتومی برای درهم‌تنیدگی مولکول‌های مختلف عمل می‌کند، زیرا هر حالت کوانتومی پیچ خورده و به ذره‌ای دیگر متصل می‌شود.

پیش از این، OAT تنها در حالت های داخلی اتمی دیده می شد، اما اکنون، با این نتایج جدید، تصور می شود که OAT ناشی از تبادل تکانه می تواند به کاهش نویز کوانتومی اتم های متعدد کمک کند. توانایی درهم‌تنیدگی حالت‌های تکانه می‌تواند منجر به بهبود برخی از اندازه‌گیری‌های فیزیکی توسط حسگرهای کوانتومی، مانند امواج گرانشی شود. در این مطالعه جدید، با الهام از تحقیقات قبلی تامپسون و تیمش، محققان اثرات برهم نهی کوانتومی را بررسی کردند، که به ذرات مانند فوتون ها یا الکترون ها اجازه می دهد در چندین حالت کوانتومی به طور همزمان وجود داشته باشند. چنگی لو، دانشجوی فارغ التحصیل و نویسنده اول توضیح داد: «در این پروژه، همه اتم‌ها دارای یک برچسب اسپین هستند؛ تنها تفاوت این است که هر اتم در یک برهم نهی بین دو حالت ممنتوم قرار دارد. محققان دریافتند که می‌توانند با وادار کردن اتم‌ها به تبادل فوتون‌ها و انرژی‌های مرتبط با آنها، پس‌زدگی اتمی را بهتر کنترل کنند.

هنگامی که دو اتم انرژی های فوتون متفاوت خود را مبادله می کنند، بسته موج حاصل (توزیع موج یک اتم) در برهم نهی یک نمودار حرکتی به نام توری چگالی را تشکیل می دهد که شبیه یک شانه دندانه ریز است. لو افزود: "تشکیل توری چگالی نشان می دهد که دو حالت تکانه [داخل اتم] با یکدیگر "همدوس" هستند به طوری که می توانند با یکدیگر تداخل داشته باشند. محققان دریافتند که تبادل فوتون بین اتم‌ها باعث اتصال بسته‌های موجی دو اتم می‌شود، بنابراین آنها دیگر اندازه‌گیری مجزا نیستند.

برای محققانی مانند Luo، تغییر داپلر می‌تواند چالشی برای غلبه بر اندازه‌گیری دقیق باشد. او توضیح داد: «هنگامی که فوتون‌ها جذب می‌شوند، پس‌زدگی اتمی منجر به تغییر داپلر فرکانس فوتون می‌شود که وقتی در مورد طیف‌سنجی دقیق صحبت می‌کنید، مشکل بزرگی است. محققان با شبیه سازی روش جدید خود دریافتند که این روش می تواند بر انحراف اندازه گیری ناشی از شیفت داپلر غلبه کند. محققان همچنین دریافتند که تبادل تکانه بین این اتم ها می تواند به عنوان نوعی درهم تنیدگی کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.

برای آزمایش بیشتر این «درهم‌تنیدگی»، محققان جدایی بزرگ‌تری بین حالت‌های تکانه اتم‌ها ایجاد کردند و سپس تبادل حرکت را القا کردند. محققان دریافتند که اتم ها به رفتار خود به گونه ای ادامه می دهند که گویی به هم متصل هستند. لو افزود: «این نشان می‌دهد که دو حالت تکانه واقعاً در حال نوسان هستند که گویی توسط یک فنر به هم متصل شده‌اند. با نگاهی به آینده، محققان قصد دارند این شکل جدید از درهم تنیدگی کوانتومی را بیشتر مورد بررسی قرار دهند، به این امید که بهتر درک کنند که چگونه می توان از آن برای بهبود انواع مختلف دستگاه های کوانتومی استفاده کرد.

Chengyi Luo et al, Momentum-exchange interactions in a Bragg atom interferometer suppress Doppler dephasing, Science (2024)