“Mükemmel Küçük Bir Sistem” – Fizikçiler İlk Kez P-Dalgası Etkileşim Kuvvetini Gözlemlemek İçin Bir Çift Atomu İzole Ettiler

“Mükemmel Küçük Bir Sistem” – Fizikçiler İlk Kez P-Dalgası Etkileşim Kuvvetini Gözlemlemek İçin Bir Çift Atomu İzole Ettiler
“Mükemmel Küçük Bir Sistem” – Fizikçiler İlk Kez P-Dalgası Etkileşim Kuvvetini Gözlemlemek İçin Bir Çift Atomu İzole Ettiler
Ultracold Atoms Lab

Toronto Üniversitesi’ndeki Ultracold Atom Laboratuvarı. Kredi: Jo-Anne McArthur

Bu sonuç, doğal kuantum sistemlerini ve bunların kuantum simülasyonlarını geliştirme potansiyellerini anlamada küçük bir ilk adımı temsil ediyor.

“Yapılacak her şeyi bildiğinizi varsayalım. Toronto Üniversitesi’nde Fizik Bölümü’nde profesör ve Kuantum Bilgisi ve Kuantum Kontrol Merkezi üyesi olan Joseph Thywissen, “bir su molekülü hakkında bilgi edinin – kimyasal formül, bağ açısı vb.” diyor.

“Molekül hakkında her şeyi biliyor olabilirsiniz, ancak yine de okyanusta dalgalar olduğunu, hatta nasıl sörf yapacağınızı bile bilmiyor olabilirsiniz” diyor. “Bunun nedeni, bir grup molekülü bir araya getirdiğinizde muhtemelen tahmin edemeyeceğiniz bir şekilde davranmalarıdır.”

Frank Corapi and Joseph Thywissen

Ultracold Atom Laboratuvarı’nda fizik lisansüstü öğrencisi Frank Corapi ve Profesör Joseph Thywissen Toronto Üniversitesi’nde. Kredi: Jo-Anne McArthur

Thywissen, bireysel parçacıkların ve bu parçacıkların büyük bir grubunun özellikleri ve davranışları arasındaki bağlantıyı inceleyen fizikteki ortaya çıkış ilkesini tartışıyor. Ekibiyle birlikte, bir değil, çok sayıda değil, yalnızca iki izole ve etkileşim halindeki potasyum atomunu analiz ederek “birden çoğa” parçacıklardan geçişi keşfetme yolunda ilk adımı attı.

The Nature dergisinde yakın zamanda yayınlanan bir makalede açıklanan sonuç, doğal kuantum sistemlerini ve bunların nasıl daha güçlü ve etkili kuantum simülasyonlarına yol açabileceğini anlamaya yönelik ilk, küçük bir adımdır.

Deneysel fizikçilerden oluşan işbirlikçi ekip Toronto Üniversitesi’nden teorik fizikçiler ve Colorado Üniversitesi’nden teorik fizikçiler, iki potasyum atomu arasındaki “p dalgası etkileşimleri” olarak bilinen etkileşim türünün gücünü ölçtüler ve sonucun uzun süredir devam eden bir tahmini doğruladığını buldular.

{12 }Frank Corapi

Toronto Üniversitesi’ndeki Ultracold Atom Laboratuvarı’nda Frank Corapi. Kredi: Jo-Anne McArthur

P dalgası etkileşimleri, doğal olarak oluşan sistemlerde zayıftır, ancak araştırmacılar, bunların çok daha yüksek bir maksimum teorik limite sahip olduğunu tahmin etmişti. Ekip, parçacıklar arasındaki p dalgası kuvvetinin bu maksimuma ulaştığını ilk doğrulayan kişidir.

Fizik Ph.D. Vijin Venu, “Laboratuvarımızda, aynı anda iki atomu izole edebildik” diyor. D. Toronto Üniversitesi mezunu. “Bu yaklaşım, çok atomlu sistemlerin karmaşıklığını ortadan kaldırır ve bir çiftteki atomlar arasındaki etkileşimlerin tam olarak kontrol edilmesini ve incelenmesini sağlar.”

Ekip, bir “ışık kristali” olan 3B optik kafes içinde atom çiftlerini izole etti Toronto Üniversitesi fizik doktora sonrası araştırmacısı Cora Fujiwara’nın açıkladığı gibi – birbirine 90 derecede üç lazer ışınının kesişme noktasında yaratılmıştır. Kesişen ışınlar, parçacık çiftlerini yakalayan yüksek yoğunluklu sabit düğümler oluşturdu. Çiftler bu şekilde izole edildiğinde, araştırmacılar karşılıklı etkileşimlerinin gücünü ölçebildiler.

Robyn Learn, Frank Corapi, and Joseph Thywissen

Fizik lisansüstü öğrencileri Robyn Learn ve Frank Corapi ve Profesör Joseph Thywissen, Ultracold Atoms’ta Toronto Üniversitesi’ndeki laboratuvar. Kredi: Jo-Anne McArthur

“Deneyimizde gördüğümüz şey olağanüstüydü” diyor Fujiwara. “Mükemmel bir küçük sistem. Ve artık bu iki parçacıklı sistemi anladığımıza göre, çok ama çok daha fazla parçacık içeren bu tür egzotik sistemler yaratmaya başlayabiliriz.”

Sonucun, çalışma da dahil olmak üzere birçok farklı teknolojide sonuçları oldu. süperakışkanlar, süperiletkenlik ve kuantum simülasyonları.

Kuantum simülasyonları, atomlar, moleküller veya kimyasal reaksiyonlar gibi kuantum sistemlerini, yani kuantum mekaniği tarafından yönetilen sistemleri anlamak için tasarlanmış modellerdir. Bu simülasyonlar, malzemelerin özelliklerinin parçacık-parçacık etkileşimlerinden nasıl ortaya çıktığını anlamamıza yardımcı olabilir.

“Aslında, gözlemlediğimiz spin-polarize fermiyonlar arasındaki etkileşimlerin, geleneksel olmayan güçlü süperakışkanların yeni biçimlerine yol açacağı tahmin ediliyor, Colorado Boulder Üniversitesi’nde ortak fizik profesörü ve JILA ile Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü üyesi Ana Maria Rey, “kuantum hesaplamaları için potansiyel bir kaynak olduğuna inanılıyor” diye açıklıyor.

The mevcut bilgisayarlarla kuantum modellerini çözmenin zorluğu yıldırıcıdır; görev, bir bilgisayara kuantum mekaniğini öğretmek olarak tanımlandı. Umut verici bir alternatif, mevcut kuantum sistemlerini, yani gerçek atomları ve molekülleri kullanmaktır.

“Bizim için zor olan, doğa için kolaydır” diyor Thywissen. “Ve böylece, başka türlü bizim için zor olan sorunları çözmek için doğanın hesaplama gücünden yalnızca ‘işini yaparak’ yararlanabiliriz.”

Referans: “Bir optik kafeste fermiyonlar arasındaki üniter p-dalgası etkileşimleri” yazan: Vijin Venu, Peihang Xu, Mikhail Mamaev, Frank Corapi, Thomas Bilitewski, Jose P. D’Incao, Cora J. Fujiwara, Ana Maria Rey ve Joseph H. Thywissen, 11 Ocak 2023, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-05405-6

Çalışma, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi, Ordu Araştırma Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü tarafından finanse edilmiştir. ve Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi.