Os pesquisadores da JILA têm, pela primeira vez, grupos isolados de alguns átomos e medidos com precisão suas interações multipartículas dentro de um relógio atômico. O avanço ajudará os cientistas a controlar a interação da matéria quântica, que deve impulsionar o desempenho dos relógios atômicos, muitos outros tipos de sensores, e sistemas de informação quântica.

A pesquisa é descrita em um Natureza artigo publicado online em 31 de outubro. JILA é operado em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.

Os cientistas do NIST têm previsto a física de "muitos corpos" e seus benefícios por anos, mas o novo trabalho do JILA fornece a primeira evidência quantitativa de exatamente o que acontece quando agrupamos alguns férmions - átomos que não podem estar no mesmo estado quântico e localização ao mesmo tempo.

"Estamos tentando entender o surgimento da complexidade quando várias partículas - átomos aqui - interagem entre si, "NIST e JILA Fellow Jun Ye disseram." Mesmo que possamos entender as regras perfeitamente sobre como dois átomos interagem, quando vários átomos se juntam, sempre há surpresas. Queremos entender as surpresas quantitativamente. "

As melhores ferramentas de hoje para medir quantidades, como tempo e frequência, são baseadas no controle de partículas quânticas individuais. Este é o caso mesmo quando conjuntos de milhares de átomos são usados ​​em um relógio atômico. Essas medições estão se aproximando do chamado limite quântico padrão - uma "parede" que impede melhorias adicionais usando partículas independentes.

O aproveitamento de interações de muitas partículas pode empurrar essa parede para trás ou mesmo quebrá-la, porque um estado quântico projetado pode suprimir as colisões de átomos e proteger os estados quânticos contra interferência, ou ruído. Além disso, átomos em tais sistemas poderiam ser arranjados para cancelar o ruído quântico uns dos outros, de modo que os sensores ficassem melhores à medida que mais átomos fossem adicionados, prometendo saltos significativos em precisão e capacidade de transporte de dados.

Na nova pesquisa, a equipe JILA usou seu relógio tridimensional de estrôncio], que oferece controle de átomo preciso. Eles criaram matrizes de um a cinco átomos por célula da rede, e, em seguida, usou um laser para definir o "tique-taque do relógio, "ou alternar em uma frequência específica entre dois níveis de energia nos átomos. A nova técnica de imagem do JILA foi usada para medir os estados quânticos dos átomos.

Os pesquisadores observaram resultados inesperados quando três ou mais átomos estavam juntos em uma célula. Os resultados foram não lineares, ou imprevisível com base em experiências anteriores, uma marca registrada das interações multipartículas. Os pesquisadores combinaram suas medições com as previsões teóricas dos colegas do NIST, Ana Maria Rey e Paul Julienne, para concluir que ocorreram interações multipartículas.

Especificamente, a frequência do relógio mudou de maneiras inesperadas quando três ou mais átomos estavam em um local de rede. A mudança é diferente do que se esperaria da soma de vários pares de átomos. Por exemplo, cinco átomos por célula causaram uma mudança de 20 por cento em comparação com o que normalmente seria esperado.

"Depois de obter três átomos por célula, as regras mudam, "Ye disse. Isso ocorre porque as rotações nucleares dos átomos e as configurações eletrônicas atuam juntas para determinar o estado quântico geral, e os átomos podem interagir simultaneamente em vez de em pares, ele disse.

Os efeitos de multipartículas também apareceram em células da rede aglomeradas na forma de uma forma incomum, processo de decadência rápida. Dois átomos por tríade formaram uma molécula e um átomo permaneceu solto, mas todos tinham energia suficiente para escapar da armadilha. Por contraste, um único átomo provavelmente permanecerá em uma célula por muito mais tempo, Ye disse.

"O que isso significa é, podemos ter certeza de que há apenas um átomo por célula em nosso relógio atômico, "Ye disse." A compreensão desses processos nos permitirá descobrir um caminho melhor para fazer relógios melhores, pois as partículas inevitavelmente interagirão se embalarmos o suficiente delas nas proximidades para melhorar a intensidade do sinal. "

A equipe JILA também descobriu que empacotar três ou mais átomos em uma célula pode resultar em uma vida longa, estados altamente emaranhados, o que significa que as propriedades quânticas dos átomos estavam ligadas de forma estável. Este método simples de emaranhar vários átomos pode ser um recurso útil para o processamento de informações quânticas.