I fisici hanno raccolto due atomi che “parlano” tra loro

Un team di fisici provenienti da Paesi Bassi e Germania ha recentemente posizionato un gruppo di atomi di titanio sotto un microscopio a tunnel. Questi atomi erano in interazione continua e silenziosa tra loro attraverso le direzioni della loro rotazione. In una svolta intelligente, gli scienziati sono stati in grado di trovare una singola coppia di atomi che collega uno di loro a una corrente elettrica per cambiarne la rotazione. Quindi hanno misurato la reazione del partner.

Quando due atomi hanno uno spin coerente, è considerata una ferita quantistica. Questo spin significa che il comportamento di un atomo ha un effetto diretto sull’altro, e la teoria è che questo dovrebbe rimanere vero anche se separato. Lunghe distanze. In questo caso, gli atomi di titanio erano separati da poco più di un nanometro (un milionesimo di millimetro) abbastanza vicini da consentire alle due particelle di interagire tra loro, ma abbastanza lontani da consentire agli strumenti del team di rilevare l’interazione.

“La scoperta principale è che siamo stati in grado di osservare il comportamento dello spin atomico nel tempo come risultato della loro reciproca interazione”, ha detto il coautore Sander Otti, fisico quantistico presso il Kavli Institute for Nanoscience. Alla Delft University of Technology nei Paesi Bassi. Otto hanno spiegato in una e-mail che gli scienziati erano precedentemente in grado di misurare la forza di diversi cicli atomici e l’effetto di questa forza sul livello di energia di un atomo. Tuttavia, questo esperimento ha permesso loro di monitorare questa reazione nel tempo.

La grande speranza della fisica sperimentale è che i ricercatori un giorno saranno in grado di simulare le interazioni quantistiche secondo i propri desideri, adattando un sistema quantistico ai propri desideri e osservando la meccanica quantistica svolgersi. In effetti, gli scienziati hanno fatto proprio questo, sparando un’azione specifica su un singolo atomo e osservando come interagisce l’atomo accanto ad esso.

“Questa è una dimostrazione molto interessante di una simulazione quantistica molto semplice”, ha detto Ella Lachman, una fisica quantistica dell’Università della California a Berkeley che non è stata coinvolta nel nuovo studio. “Controllando le posizioni degli atomi, possiamo teoricamente costruire una versione del reticolo o di qualsiasi sistema di cui vogliamo studiare le dinamiche”.

Il team ha scelto di lavorare con gli atomi di titanio perché hanno il minor numero di possibilità di farli ruotare, sia verso l’alto che verso il basso. Gli atomi di titanio sono stati attaccati alla superficie dell’ossido di magnesio e tenuti in posizione per l’esame. Impilati su questa superficie, che è stata tenuta in un vuoto di circa un solo grado Kelvin, o -457,87 Fahrenheit, i fisici possono selezionare gli atomi individualmente sotto la punta del microscopio (qui video Spiega come funziona). Quindi potrebbero invertire la rotazione dell’atomo colpendo l’atomo in coppia con un impulso elettrico, provocando una reazione immediata dal vicino. Otti ha detto che queste reazioni possono essere previste attraverso le leggi della meccanica quantistica. (Se dici “strade percorribili”, puoi essere certo che la prossima particella risponderà “Chi c’è?”) L’intero processo ha richiesto circa 15 nanosecondi, o 15 miliardesimi di secondo. Era la sua ricerca Pubblicato Oggi nella scienza.

Ci sono altri modi per leggere il mondo quantistico. Gli scienziati possono evocare interazioni tra atomi modificando lo spin in un singolo atomo, ma questa interconnessione avviene così rapidamente che i metodi di osservazione tipici, come Tecnica di risonanza rotazionaleNon riesco a prenderlo. Scienziati quantistici Utilizza spesso impulsi a microonde Per effettuare un cambiamento nello stato degli atomi o osservare la meccanica quantistica, ma questo approccio a impulsi elettrici ha dato al team l’opportunità di percepire le minime interazioni. Corrisponde a un atomo di DM.

Metodi come le tecniche di risonanza rotazionale sono “molto lenti”, ha detto Lucas Feldman, un fisico quantistico presso l’Istituto Cavelli per la nanoscienza. alla Delft University of Technology, i Delft pubblicazione. “Ha appena iniziato a girare prima che l’altro inizi a girare. In questo modo non sarai mai in grado di verificare cosa succede quando metti le due curve nella direzione opposta.”

Otti ha detto che la vera magia di questa ricerca deve ancora essere realizzata. Poiché questa scoperta mappa il riflusso rotazionale tra due atomi, la situazione diventa più complessa per ogni atomo che aggiungi all’equazione. Puoi immaginare un gioco telefonico in cui i partecipanti potrebbero trasmettere il messaggio e sussurrarlo allo stesso modo. I messaggi provenienti da direzioni diverse inizieranno a intersecare e distorcere la comunicazione.

“Come sempre, i modelli di gioco vanno bene, ma una volta aggiunta la complessità che conta davvero per noi, le domande sulle loro misurazioni e le loro interpretazioni diventano più complesse”, ha detto Lachman. “Puoi fare lo stesso esperimento con tre atomi misurando un solo atomo? Forse sì, ma l’interpretazione della procedura diventa più complessa. Che ne dici di dieci atomi? Venti?” modello di gioco o qualcosa di più approfondito. Trovato. “

Otto ha anche sottolineato le sfide sorprendenti del sorpasso di un semplice sistema a due atomi. “Se utilizziamo fino a 20 turni, il mio laptop non sarà in grado di calcolare cosa stava succedendo. In 50 turni, i migliori supercomputer del mondo si arrendono, e così via”, ha detto Otte. “Se vogliamo capire esattamente come si verifica il comportamento complesso di determinati materiali (un ottimo esempio è la superconduttività), dobbiamo” costruire “i materiali da zero e vedere come si evolvono le leggi della fisica aumentando da 10 a 100 a 1000”. La superconduttività si riferisce a materiali che possono Trasmissione di elettricità senza resistenza, che è possibile solo a temperature molto basse. Questo è il motivo per svilupparne uno Un superconduttore a temperatura ambiente è il Santo Graal della fisica.. Cambierà completamente il mondo.

Ma è in questi grandi numeri che inizi a conoscere i premi finali. Invece di ascoltare una virgola da cuore a cuore, gli scienziati possono finalmente sentire il mormorio di conversazioni quantistiche con molti atomi mentre si muovono. Naturalmente, abbiamo bisogno di computer migliori per tali dilemmi, ma anche le interazioni più piccole hanno il loro significato, come iniziatori di una conversazione più ampia.

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