کنترل برخورد اتم ها با موچین های نوری: گامی به سوی محاسبات کوانتومی پیشرفته

در یک مطالعه پیشگامانه دانشمندان راه های جدیدی را برای کنترل برخورد اتم ها با استفاده از موچین های نوری ابداع کردند و بینش هایی را ارائه کردند که می تواند محاسبات کوانتومی و علم مولکولی را ارتقا دهد.

آنها با دستکاری فرکانس های نور و سطوح انرژی اتمی چگونگی تأثیر ویژگی های اتمی خاص بر نتایج برخورد را ترسیم کردند و راه را برای دستکاری کوانتومی دقیق تر هموار کردند.

شگفتی های کوانتومی در دما های فوق العاده سرد

وقتی اتم ها با هم برخورد می کنند ساختار آنها – مانند تعداد الکترون هایی که حمل می کنند یا اسپین کوانتومی هسته هایشان – نحوه برهمکنش آنها را تعیین می کند. این اثر در دما های فوق سرد نزدیک به صفر مطلق که مکانیک کوانتومی نقش غالب را ایفا می کند حتی بیشتر می شود.

 در این شرایط شدید گاهی اوقات اتم ها می توانند به دلیل نور لیزر با هم برخورد کنند و برای مدت کوتاهی حالت مولکولی را تشکیل دهند و سپس از هم جدا شوند و انرژی قابل توجهی آزاد کنند. این برخورد ها به کمک نور به سرعت اتفاق می افتند و طیف وسیعی از کاربرد های علوم کوانتومی را تحت تأثیر قرار می دهند با این حال جزئیات چگونگی وقوع آنها هنوز به درستی شناخته نشده است.

در مطالعه جدیدی که در Physical Review Letters منتشر شده است سیندی ریگال استاد فیزیک دانشگاه کلرادو بولدر همراه با همکار سابق JILA Jose D’Incao (اکنون در دانشگاه ماساچوست بوستون) و تیم هایشان روش های تجربی و نظری ابتکاری را برای اندازه گیری نرخ انرژی اتمی کوچک در حضور هم رسانی های کوچک توسعه دادند. تحقیقات آنها بر موچین های نوری – پرتو های لیزری بسیار متمرکز که می توانند اتم های منفرد را به دام بیندازند – متکی است که به تیم اجازه می دهد تا تعاملات جفت های اتم خاص را با دقت بی سابقه ای جدا و بررسی کند.

با کشف بینش های جدید در مورد این برخورد های تخصصی اتمی محققان به بهبود کنترل بر تعاملات اتمی کمک می کنند گامی مهم برای پیشبرد شبیه سازی های کوانتومی که از آرایه هایی از اتم ها و مولکول ها برای مدل سازی سیستم های کوانتومی پیچیده استفاده می کنند. ی

پیشرفت در تحقیقات موچین نوری

همانطور که فیزیکدانان برای بهبود کنترل بر روی اتم ها در آزمایشات موچین نوری تلاش می کنند استیون پامپل دانشجوی فارغ التحصیل JILA اولین نویسنده مقاله می خواست بهتر بفهمد که چگونه سرعت رخ دادن برخورد های به کمک نور در شرایط مختلف تغییر می کند. نور می تواند مجموعه ای از پیامد ها را ایجاد کند که بیشتر به فرکانس آن با توجه به انتقال اتمی بستگی دارد.

ریگال توضیح می دهد: «برخورد با کمک نور می تواند مقادیر زیادی انرژی در مقایسه با آنچه که اغلب در جهان گاز های اتمی فوق سرد تحمل می شود تولید کند. این انرژی به اتم های در حال برخورد داده می شود که می توان آنها را بد در نظر گرفت زیرا به اندازه ای بزرگ هستند که باعث می شوند اتم ها از تله های معمولی فرار کنند. اما این برخورد ها زمانی که بتوان آن انرژی را کنترل کرد نیز می تواند مفید باشد.

در واقع گروه Regal و سایر گروه ها در سراسر جهان قبلاً از این انرژی برای مطالعه نحوه بارگذاری اتم ها در موچین های نوری استفاده کرده اند. با این حال درک نظری جامع تری از فرآیند برخورد که منجر به انتشار چنین انرژی می شود به سختی به دست می آید به ویژه زمانی که ساختار فوق ریز اتمی را در نظر می گیریم – تغییرات انرژی کوچک ناشی از جفت شدن بین اسپین هسته ای اتم و تکانه زاویه ای الکترون های اتم.
مدل اولیه برای برخورد با کمک نور برای چندین دهه درک شده است. در واقع این مدل توسط همکار JILA آلن گالاگر و پروفسور دیوید پریچارد از MIT توسعه داده شد. اما تا همین اواخر درک ما از برخورد های به کمک نور از تله های نوری بسیار بزرگی می آمد که حاوی میلیون ها اتم هستند جایی که همان نوری که اتم ها را محدود می کند باعث برخورد نیز می شود و کنترل فرکانس نور و اطلاعاتی را که کسی می توانست به دست آورد محدود می کند.

دستکاری دقیق حالات کوانتومی

برای تعیین سرعت وقوع این برخوردها محققان در آزمایشگاه Regal آزمایش خود را با تهیه دقیقاً دو اتم روبیدیم در یک موچین نوری آغاز کردند. برای انجام این کار تیم از تکنیکی استفاده کردند که در آن اتم های منفرد در دو موچین نوری مجزا بارگذاری می شوند و سپس اتم ها در یک تله نوری واحد ادغام می شوند. پس از ادغام یک پالس نور لیزر به دقت کنترل شده برای ایجاد برخورد بین دو اتم اعمال شد.

این نور لیزر برخوردی اتم ها را تحریک می کند و یک حالت برهم نهی کوانتومی ایجاد می کند که در آن هر اتم می توانست فوتون را جذب کند اما مشخص نیست کدام یک. در این حالت نیرو های الکترونیکی در فواصل بسیار بزرگتر از آنچه در غیر این صورت عمل می کردند عمل می کنند و به اتم ها انرژی جنبشی زیادی می دهند که از تله فرار می کنند. در این بازی «توپ های کوانتومی بیلیارد» فوتون مانند توپ نشانه ای است که به طور همزمان به دو توپ دیگر (اتم ها) برخورد می کند و آنها را از روی میز به پرواز در می آورد.

سپس تیم فرکانس نور برخورد یعنی انرژی فوتون “نشان” را تغییر داد و میزان سرعت فرار جفت اتم ها از موچین نوری را اندازه گرفت.
پامپل می افزاید: «ما لیزر را در فرکانس مشخصی تنظیم کردیم سپس مدت زمان نور برخورد را تغییر دادیم تا ببینیم چند اتم در تله باقی مانده اند. از این رو می توانیم تعیین کنیم که اتم ها با چه سرعتی با هم برخورد کرده و انرژی کافی برای فرار به دست آورده اند. با تکرار این فرآیند در فرکانس های مختلف می توانیم تأثیر ساختار فوق ریز را در این برخورد ها ترسیم کنیم.»

این فرآیند به محققان اجازه داد تا میزان تلفات اتم ها را به صورت کمی و در رابطه با اثرات بسیار ظریف اندازه گیری کنند کاری که قبلا هرگز انجام نشده بود.
پیشرفت در تکنیک های تصویربرداری برخورد

در طول آزمایشات تیم یک تکنیک تصویربرداری جدید را برای تعیین دقیق اینکه آیا هر دو اتم پس از برخورد در تله باقی می مانند یا خیر توسعه دادند. این تکنیک بسیار مهم بود زیرا روش های تصویربرداری استاندارد در موچین های نوری به طور ناخواسته هر دو اتم را در حین برخورد از تله خارج می کنند و تشخیص اینکه آیا نور برخورد یا نور تصویربرداری اتم ها را پرتاب کرده است غیرممکن می سازد. 

پامپل توضیح می دهد: ما به روشی رسیدیم که از نوع خاصی از برخورد های با کمک نور استفاده می کند که در آن تنها یک اتم در بیشتر مواقع به بیرون پرتاب می شود. این به ما امکان داد تا حضور دو اتم را با شناسایی یک اتم شناسایی کنیم. این مکانیسم معمولاً برای بارگذاری اتم های منفرد در موچین استفاده می شود اما ما نشان دادیم که می توان از آن در تنظیمات کنترل شده تری برای اهداف تشخیص دو اتمی نیز استفاده کرد.
بینش در مورد تعاملات کوانتومی و کاربرد های آینده

این یافته ها فراتر از پرتاب کردن نور جدید بر روی یک پازل طولانی مدت می تواند بر تلاش های مختلف با اتم های خنثی به دام افتاده مانند محاسبات کوانتومی مترولوژی و فیزیک بدنه ای که کنترل برخورد های اتمی برای موفقیت ضروری است تأثیر بگذارد. توانایی پیش بینی نحوه رفتار برخورد های اتمی بر اساس ساختار فوق ریز آنها احتمالاً برای پیشرفت تکنیک های خنک کننده لیزری علوم کوانتومی مولکولی و نسل بعدی فناوری های مبتنی بر کوانتوم مفید خواهد بود.

مرجع: “تصادفات به کمک نور در موچین های نوری در سراسر طیف فوق ظریف” توسط استیون کی پامپل ماتئو مارینلی مارک او. براون خوزه پی دی اینکائو و سیندی آ. ریگال ۱۰ ژانویه ۲۰۲۵ نامه های بازبینی فیزیکی.