Uma nova técnica de imagem pode mostrar o comportamento de ondas de partículas quânticas não confinadas.
Espalhamento quântico. A expansão de um pacote de onda de átomo único quando liberado de uma armadilha para o espaço livre, conforme previsto pela equação de Schrödinger (em cima), corresponde de perto que vistos combinando muitas execuções experimentais (inferior). A grade hexagonal nos resultados experimentais reflete a rede óptica (matriz de armadilhas) das quais o átomo foi liberado inicialmente. Em cada corrida, após um período de tempo, a treliça foi ligada novamente e o átomo foi detectado em uma das armadilhas.
Espalhamento quântico. A expansão de um pacote de onda de átomo único quando liberado de uma armadilha para o espaço livre, conforme previsto pela equação de Schrödinger (em cima), corresponde de perto que vistos combinando muitas execuções experimentais (inferior). A grade hexagonal nos resultados experimentais reflete a rede óptica (matriz de armadilhas) das quais o átomo foi liberado inicialmente. Em cada corrida, após um período de tempo, a treliça foi ligada novamente e o átomo foi detectado em uma das armadilhas.
Uma equipe de pesquisa mostrou que um método para átomos de imagem mantido em uma variedade 2D de armadilhas ópticas pode ser usada para revelar o comportamento de onda dos átomos quando são liberados no espaço livre (1). A equipe colocou átomos nas armadilhas, desligou as armadilhas por um curto período de tempo e depois as ligou novamente. Ao fazer muitas medidas da localização dos átomos após a reativação das armadilhas, os pesquisadores podem deduzir o comportamento do tipo onda dos átomos. A equipe planeja usar essa técnica para simular sistemas de interação de partículas em estados quânticos que não são bem compreendidos.
Os sistemas compostos por muitas partículas quânticas, como certos tipos de estados eletrônicos ou magnéticos de matéria, podem ser investigados simulando -os usando átomos distribuídos dentro de matrizes de armadilhas ópticas, como ovos em uma vasta caixa de ovos. Um método para estudar essas matrizes de átomos, chamado microscopia de gás quântico, envolve investigar as posições e os estados quânticos dos átomos usando vigas a laser para torná -las fluorescentes (2). Joris Verstraten, na École Normale Supérrieure, na França, e seus colegas adaptaram a técnica para observar coleções de átomos permitiram se mover no espaço livre, sem restrições por armadilhas.
Uma partícula quântica localizada, como um átomo preso, pode ser representado no espaço por um pacote de onda, uma função de onda cuja amplitude é maximizada no native mais provável da partícula. Se as restrições espaciais em um pacote de onda forem liberadas, a função de onda se expandirá no espaço, como uma gota de tinta que se difunde através de papel de seda. A Verstraten e os colegas agora usaram o pacote de ondas que se espalhou como um caso de prova de princípio para sua técnica de imagem de espaço livre.
Gasoline de treliça. Os átomos de lítio mantidos em uma treliça óptica 2D são revelados por sua emissão fluorescente. O tamanho de cada ponto brilhante (inserção superior) é muito maior que o tamanho físico do átomo. Em cada corrida, algumas dezenas de átomos estão espalhadas em cerca de 6000 websites de captura. O espaçamento da treliça é de 709 nm (pontos brancos na inserção inferior).
Gasoline de treliça. Os átomos de lítio mantidos em uma treliça óptica 2D são revelados por sua emissão fluorescente. O tamanho de cada ponto brilhante (inserção superior) é muito maior que o tamanho físico do átomo. Em cada corrida, algumas dezenas de átomos estão espalhadas em cerca de 6000 websites de captura. O espaçamento da treliça é de 709 nm (pontos brancos na inserção inferior).
Para observar isso, os pesquisadores dispersaram os átomos de lítio dentro de uma matriz óptica dentro de seu microscópio de gás quântico. Eles prenderam algumas dezenas de átomos na matriz, que incluíam vários milhares de poços, garantindo que cada um ocupasse bem mantido apenas um átomo. A equipe então usou um método de resfriamento a laser para garantir que os átomos estivessem em seu estado de menor energia. Em seguida, os pesquisadores desligaram as vigas que formaram a treliça óptica, mantendo uma folha de luz que confinou os átomos ao mesmo plano. O pacote de onda de cada átomo agora pode se espalhar neste plano.
Posteriormente, Verstraten e colegas ligaram a treliça de captura, que localizou a função de onda de cada átomo dentro de um native de captura específico. Realizar confiabilidade essa “projeção” do espaço contínuo na rede de imagens foi um dos principais desafios experimentais. Os pesquisadores conseguiram projetar mais de 99% dos átomos no native mais próximo da rede.
Onde um átomo acaba nessa projeção não é previsível, mas depende das probabilidades definidas pela função da onda; Quanto mais se espalha antes de se retrair, mais longe da posição inicial qualquer átomo pode ser encontrado. Para seguir o processo de espalhamento, os pesquisadores precisavam corresponder aos átomos na segunda imagem com os da primeira, o que eles fizeram usando uma técnica probabilística que pode encontrar o conjunto de atribuições mais provável para todos os átomos.
Cada execução gerou muitos instantâneos simultâneos da expansão dos pacotes de ondas idênticas de todos os átomos da matriz. O comportamento geral de um pacote de onda de átomo único pode ser construído combinando muitas dessas execuções. A taxa de propagação observada correspondeu de perto a prevista pela equação de Schrödinger.
Verstraten diz que os experimentos mostram que a técnica estende com sucesso a microscopia de gás quântico ao caso de sistemas quânticos evoluindo no espaço livre. Essa habilidade, diz ele, permitirá o estudo de novos fenômenos quânticos que envolvem muitas partículas que interagem. No trabalho que será publicado em Cartas de revisão física (3), a equipe já usou o novo método para investigar a dinâmica de um gás Fermi 2D no qual as partículas podem se comportar de maneira coletiva. Verstraten diz que a pesquisa atual da equipe envolve partículas interagentes fortemente – uma situação difícil de investigar teoricamente.
Selim Jochim, especialista em Atom Optics na Universidade Heidelberg, na Alemanha, está impressionado com o novo trabalho. “É realmente lindo, e eles fazem isso de uma maneira muito precisa e precisa”, diz ele. Jochim diz que a capacidade de congelar os átomos em seus novos locais ao ligar as armadilhas, de modo a fornecer instantâneos de alta resolução de seu movimento, é “um enorme avanço técnico”.
–Filip Ball
Philip Ball é um escritor de ciências freelancer em Londres. Seu último livro é Como a vida funciona (Picador, 2024).
A demonstração de que os íons pode ser manipulada com precisão em uma armadilha contendo fotônica integrada abre caminho para um processador quântico de íons presos em larga escala. Leia mais »
