Pokud se atomy nemohou rozhodnout

Poprvé byla superpozice atomu a molekuly pozorována v čisté formě

Rabiho oscilace atomů a molekul. Rychlým přepínáním magnetického pole lze atomy (žluté) převést na molekuly (červené) a naopak. V určitém čase jsou částice v superpozičním stavu (žluté a červené), ve kterém současně atomují a molekuly. © MPQ
číst nahlas

Současně černá a bílá, směřující nahoru a dolů - pouze kvantové částice nanokosmu jsou schopny smířit dvě vlastnosti, které se navzájem vylučují podle zákonů klasické fyziky. Poprvé byli vědci schopni pozorovat superpozici atomu a molekuly v čisté formě.

V časopise Physical Review Letters vědci referují o experimentech, ve kterých páry ze dvou atomů rubidia nemohou rozhodnout, zda by se měly k sobě vázat nebo zůstat v atomovém stavu. Místo toho oscilují mezi dvěma stavy - až 29 z těchto tzv. Rabiho oscilací bylo detekováno v rámci jednoho měření. Mezitím rubidiové páry předpokládají stav, ve kterém jsou současně molekulami i atomy.

Kvantové částice, které jsou v tak nejednoznačném stavu, jsou ideálním kandidátem pro paměťová zařízení - kvantové bity - v kvantových počítačích. Podle vědců vedených profesorem Gerhardem Rempeem z Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku v garchingu by budoucí měření přesnosti kmitočtového kmitočtu mohlo také umožnit vyvodit závěry o možných změnách základních konstant.

Mrak atomů rubidia

V experimentu je mrak atomů rubidia nejprve zachycen v optické pasti a ochlazen na několik miliardtin stupně nad absolutní nulou. Zde atomy tvoří tzv. Bose-Einsteinův kondenzát, stav, ve kterém se všechny - asi 60 000 - částice stávají identickými a prakticky se nemohou pohybovat. S pomocí „optické mřížky“ jsou atomy uspořádány do pravidelné struktury.

Za tímto účelem se zapnutím stacionárních světelných vln ze tří různých prostorových směrů vytvoří laserové světelné pole, jehož tvar připomíná hromadu vaječných kartonů. Jámy v této malé krystalové mřížce světla odpovídají energeticky příznivým stavům, ve kterých se atomy rubidia usazují. Rozteč mřížů mezi atomy je určena vlnovou délkou světla. Je zde několik set nanometrů a je tedy asi 1000krát větší než v krystalu v pevném stavu. Tato struktura světla a atomů je proto také ideálním systémem pro modelování složitých problémů fyziky pevných látek. Hloubka žlabu závisí na výkonu laseru a je zde vybrána tak, aby v něm byly zachyceny atomy. Tento vysoce uspořádaný stav se nazývá Mottův izolátor. zobrazit

Diskrétní kvantové stavy

Atomy a molekuly v krystalové mřížce světla. Uprostřed tohoto vysoce uspořádaného stavu jsou zpočátku malé skupiny atomů (vlevo), které jsou přeměněny na molekuly (vpravo) a tato konfigurace se periodicky opakuje. MPQ

Použitím celkového počtu atomů v optické mřížce mohou fyzici kontrolovat počet atomů na mřížkovém místě tak, že v centrální oblasti krystalu jsou přesně dva atomy na jamku. Byly tedy vytvořeny základní experimentální předpoklady, aby bylo možné záměrně excitovat přechody do molekulárního stavu a poté je přesně změřit.

Pro jednu věc, atomy jsou izolovány od jejich sousedů a vidí partnera pouze na svém příslušném místě mříže. Omezením na malou oblast má částice k dispozici pouze několik diskrétních kvantových stavů, které může přijmout jako molekulu. Na druhé straně jsou výsledné velmi křehké molekuly od sebe oddělené, a proto je nelze při náhodných srážkách ztratit.

Aby se atomy spojily se svým partnerem, je náhle zapnuto magnetické pole. V důsledku interakce magnetického pole s magnetickými momenty atomů se pravděpodobnost molekulární vazby při určité hodnotě pro magnetické pole stává stejně velkou jako pro atomový stav. Při této takzvané "Feshbachově rezonanci" se tedy atomy začnou oscilovat mezi tím, že jsou jednoduché a mají pevné partnerství. Podle toho množství atomů nebo molekul v optické mřížce kolísá v průběhu vibračního cyklu.

Atom i molekula

Stanovením počtu atomů pro různé doby držení magnetického pole bylo možné Rabiho oscilace rekonstruovat během 29 cyklů. „Nejdůležitější věcí na tomto výsledku je to, že páry rubidia procházejí stavem atomu i molekuly během cyklu vibrací, “ říká Niels Syassen, který sdílí měření se svými kolegy v terénu Rámec své disertační práce. „Takový soudržný superpoziční stav nebyl v této čisté podobě dosud pozorován, “ zdůrazňuje Rempe. "To nám dává nové způsoby, jak realizovat kvantové registry, ve kterých by mohly být různé informace uloženy na kvantovém bitu."

V dalším experimentu vědci používají Rabiho oscilace, aby zpočátku vytvářeli diatomické molekuly v optické mříži. Potom nasměrují magnetické pole na hodnoty, kde by atomy byly spíše jednoduché než vázané. Partnerství se však ne vždy liší. U molekul se může rozkládat pouze při určitých hodnotách diskrétního magnetického pole. V mezilehlých oblastech nejsou žádné stavy, které by mohly obsadit konečné produkty, atomy, podle pravidel kvantové mechaniky. Taková měření ukazují, že optické mříže mohou být použity k přizpůsobení struktur, které umožňují manipulaci s nestabilními molekulami, jako by byly stabilní.

Vědci také plánují stanovit takové oscilace atom-molekula s ještě větší přesností a získat tak výroky o atomových vlastnostech, které zase umožňují závěry o možných extrémně malých změnách přirozených konstant.

(idw - Max Planck Institute for Quantum Optics, 20.07.2007 - DLO)