物理学家的闪光冷冻'150离子的晶体

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家已经“快速冷冻”了150个铍离子(带电原子)的扁平晶体,为在量子尺度上模拟磁性和从神秘暗物质感应信号开辟了新的可能性。

许多研究人员几十年来一直试图冷却振动物体,这些物体足够大,肉眼可以看到它们具有量子力学允许的最小运动的程度,这种理论控制着物质在原子尺度上的行为。越冷越好,因为它使设备更灵敏,更稳定,失真更少,因此对实际应用更有用。然而,到目前为止,研究人员只能减少一些类型的振动。

在NIST实验中,磁场和电场冷却并捕获离子,使得它们形成直径小于250微米(百万分之一米)的圆盘。该盘被认为是晶体,因为离子以规则重复的图案排列。

正如物理评论快报所述,NIST研究人员在200微秒(百万分之一秒)内对晶体进行冷却,这样每个离子的能量约为单个声子所携带的能量的三分之一,即晶体中的一组运动能量。这非常接近于晶体所谓的“鼓面”振动的最低可能量子“接地”状态下的能量,这类似于打击鼓的上下运动。

研究人员冷却并减缓了所有150个鼓面振动,每个离子一个振动。这项工作表明,使用这种技术可以集体平衡数百种离子,这是前一次演示中另一组冷却18离子线的显着进步。

对于在本演示中冷却的频率的振动,声子携带的能量的三分之一对应于50微开尔文,或高于绝对零度(零下459.67°F或负273.15°C)的百万分之五十五分之一,组长John Bollinger说过。Bollinger指出,虽然不是创纪录的温度,但这个水平接近于所有鼓面模式的量子力学基态,这意味着对于如此高度受限的系统,热运动很小。

为了实现如此多的冷却,研究人员针对两种具有特定频率和功率水平的激光器进行了研究。激光器以这样的方式耦合离子的能级,以诱导离子晶体失去能量而不增加其运动。对于大多数被晶体散射的激光粒子,离子失去运动,冷却晶体。

该方法没有冷却其他类型的振动,例如盘形晶体的左右运动。但鼓面运动具有最实用的用途。只有鼓面振动用于量子模拟和量子传感器。

较冷的鼓面振动将使离子晶体成为更逼真的量子磁模拟器,这在传统计算机上很难计算。基态冷却还应该能够实现更复杂的纠缠量子系统,从而可以更好地测量量子传感应用。

“我们对调查感到兴奋的量子传感应用是感应非常微弱的电场,”Bollinger说。“通过基态冷却,我们可以提高我们感知电场的能力,使其能够搜索某些类型的暗物质 - 轴(假想的亚原子粒子)和隐藏的光子(尚未见过的力载体)。”

未来的研究将尝试用更多的离子冷却三维晶体。