Los físicos encuentran una nueva forma de mantener excitados a los átomos

Los investigadores de JILA engañaron a la naturaleza ajustando un denso gas cuántico de átomos para crear un «mar de Fermi» abarrotado, manteniendo así los átomos en un estado de alta energía o excitado durante un 10% más de lo normal al retrasar su retorno natural a los niveles más bajos. . Condición de energía. Esta técnica se puede utilizar para mejorar las redes de comunicación cuántica y los relojes atómicos.

Los sistemas cuánticos, como los átomos excitados por encima de su estado de reposo, se enfrían o decaen de forma natural al liberar luz en bits cuánticos llamados fotones. Este proceso común se manifiesta en el resplandor de las luciérnagas y las emisiones de las luces LED. La tasa de desintegración se puede diseñar modificando el medio ambiente o las propiedades internas de los átomos. Investigaciones anteriores han modificado el entorno electromagnético; El nuevo trabajo se centra en los átomos.

El nuevo método JILA se basa en una regla del mundo cuántico conocida como el principio de exclusión de Pauli, que establece que fermiones idénticos (una clase de partículas) no pueden compartir los mismos estados cuánticos al mismo tiempo. Entonces, si hubiera suficientes fermiones en una multitud, creando un Mar de Fermi, es posible que un fermión emocionado no pueda liberar un fotón como de costumbre, porque tendría que recuperarse después. Este rebote puede llevarlo al mismo estado cuántico de movimiento que uno de sus vecinos, lo cual está prohibido por un mecanismo llamado bloqueo de Pauli.

El logro de bloqueo se describió en la edición del 19 de noviembre de Ciencias. JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

«La prohibición de Pauli utiliza estados cinéticos cuánticos bien ordenados del mar de Fermi para evitar el rebote de un átomo que quiere descomponerse, evitando así la descomposición espontánea», dijo John Yee, miembro del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST / JILA). «Es un efecto cuántico profundo controlar las propiedades de la materia que antes se consideraba inmutable».

La idea de la ingeniería atómica estado de entusiasmo Se ha sugerido la edad al estar incluido en el Mar de Fermi antes, pero el grupo JILA es el primero, junto con otras investigaciones descritas en el mismo número de Ciencias, para hacerlo realmente. Esta es la primera vez que las propiedades de radiación interna de los átomos se relacionan con su movimiento externo.

El equipo de JILA realizó los experimentos utilizando gas Fermi de baja energía o una desintegración de miles de átomos de estroncio. El grupo JILA utiliza estos gases cuánticos para hacer lo último relojes atómicos. En estos gases de Fermi de baja temperatura, todas las propiedades de los átomos están restringidas a valores definidos o cuantitativos, y los átomos se evitan entre sí manteniendo una distancia mínima entre pares. Por el contrario, los átomos en los gases ordinarios se distribuyen aleatoriamente y no se afectan colectivamente entre sí.

Los investigadores utilizaron luz azul para excitar átomos en el mar de Fermi y luego midieron la radiación de fotones resultante en diferentes direcciones. Al crear condiciones específicas, el equipo redujo la emisión de fotones con un ángulo de dispersión estrecho hasta en un 50%. En este caso, el maíz preparado en estado excitado permanece en este estado un 10% más de lo habitual. La excitante vida natural de cinco nanosegundos era demasiado corta para medir, por lo que los investigadores utilizaron la dispersión de fotones como indicador indirecto. Yi dijo que los experimentos futuros que utilicen diferentes niveles de energía en átomos o gases más densos e incluso más fríos podrían extender los estados excitados por períodos de tiempo más largos o incluso prevenir la descomposición por completo.

Las principales características del experimento incluyeron la fabricación de un gas con la menor energía posible, lo que permitió el fenómeno del bloqueo puramente mecánico cuántico. Además, el mar de Fermi era lo suficientemente grande como para que los átomos del medio no pudieran escapar. Los átomos de la superficie no se pueden bloquear tan fácilmente.

Finalmente, los investigadores excitaron solo una pequeña cantidad de átomos y recolectaron los fotones emitidos en un ángulo estrecho con respecto al haz de excitación azul. Esta configuración hizo posible monitorear pequeñas transferencias de tráfico. dará un gran ángulo átomos Demasiada patada de impulso, lo que aumenta sus posibilidades de escapar y debilita el efecto de bloqueo.

La tecnología JILA ofrece nuevos enfoques para la ingeniería cuántica de sistemas de luz atómica, con aplicaciones potenciales como la protección de qubits ópticos en redes de comunicación cuántica y la mejora de la estabilidad del reloj atómico al extender los tiempos de interrogación del átomo para mantener la precisión del tic-tac.