Les chercheurs de la JILA ont, pour la première fois, groupes isolés de quelques atomes et mesuré avec précision leurs interactions multiparticulaires au sein d'une horloge atomique. Cette avancée aidera les scientifiques à contrôler la matière quantique en interaction, qui devrait augmenter les performances des horloges atomiques, de nombreux autres types de capteurs, et les systèmes d'information quantique.

La recherche est décrite dans un La nature article mis en ligne tôt le 31 octobre. JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder.

Les scientifiques du NIST prédisent depuis des années la physique des « plusieurs corps » et ses avantages, mais le nouveau travail de JILA fournit la première preuve quantitative de ce qui se passe exactement lors de l'emballage de quelques fermions - des atomes qui ne peuvent pas être dans le même état quantique et le même emplacement en même temps.

"Nous essayons de comprendre l'émergence de la complexité lorsque plusieurs particules - ici les atomes - interagissent les unes avec les autres, « Même si nous comprenons parfaitement les règles sur la façon dont deux atomes interagissent, lorsque plusieurs atomes se réunissent, il y a toujours des surprises. Nous voulons comprendre les surprises de manière quantitative."

Les meilleurs outils actuels pour mesurer des quantités telles que le temps et la fréquence sont basés sur le contrôle des particules quantiques individuelles. C'est le cas même lorsque des ensembles de milliers d'atomes sont utilisés dans une horloge atomique. Ces mesures approchent de la soi-disant limite quantique standard, un "mur" empêchant de nouvelles améliorations en utilisant des particules indépendantes.

L'exploitation d'interactions à plusieurs particules pourrait repousser ce mur ou même le traverser, parce qu'un état quantique conçu pourrait supprimer les collisions d'atomes et protéger les états quantiques contre les interférences, ou du bruit. En outre, les atomes dans de tels systèmes pourraient être arrangés pour annuler le bruit quantique les uns des autres de sorte que les capteurs s'amélioreraient à mesure que plus d'atomes seraient ajoutés, promettant des sauts significatifs en termes de précision et de capacité de transport de données.

Dans la nouvelle recherche, l'équipe JILA a utilisé son horloge tridimensionnelle en treillis de strontium], qui offre un contrôle précis des atomes. Ils ont créé des réseaux d'un à cinq atomes par cellule du réseau, puis utilisé un laser pour régler l'horloge "à retardement, " ou la commutation à une fréquence spécifique entre deux niveaux d'énergie dans les atomes. La nouvelle technique d'imagerie de JILA a été utilisée pour mesurer les états quantiques des atomes.

Les chercheurs ont observé des résultats inattendus lorsque trois atomes ou plus étaient ensemble dans une cellule. Les résultats étaient non linéaires, ou imprévisible sur la base de l'expérience passée, une caractéristique des interactions multiparticulaires. Les chercheurs ont combiné leurs mesures avec les prédictions théoriques des collègues du NIST Ana Maria Rey et Paul Julienne pour conclure que des interactions multiparticulaires se sont produites.

Spécifiquement, la fréquence de l'horloge s'est déplacée de manière inattendue lorsque trois atomes ou plus se trouvaient dans un site de réseau. Le décalage est différent de ce à quoi on pourrait s'attendre en additionnant différentes paires d'atomes. Par exemple, cinq atomes par cellule ont provoqué un décalage de 20 pour cent par rapport à ce qui serait normalement attendu.

"Une fois que vous obtenez trois atomes par cellule, les règles changent, " Ye a dit. C'est parce que les spins nucléaires et les configurations électroniques des atomes jouent ensemble pour déterminer l'état quantique global, et les atomes peuvent tous interagir simultanément au lieu d'interagir par paires, il a dit.

Des effets multiparticulaires sont également apparus dans des cellules de réseau surpeuplées sous la forme d'un processus de décroissance rapide. Deux atomes par triade formaient une molécule et un atome restait libre, mais tous avaient assez d'énergie pour échapper au piège. Par contre, un seul atome est susceptible de rester beaucoup plus longtemps dans une cellule, Vous avez dit.

"Ce que cela signifie, c'est nous pouvons nous assurer qu'il n'y a qu'un atome par cellule dans notre horloge atomique, " a dit Ye. " La compréhension de ces processus nous permettra de trouver une meilleure voie pour fabriquer des horloges améliorées, car les particules interagiront inévitablement si nous en emballons suffisamment à proximité pour améliorer la force du signal."

L'équipe JILA a également découvert que le fait d'emballer trois atomes ou plus dans une cellule pouvait entraîner une longue durée de vie, états très intriqués, ce qui signifie que les propriétés quantiques des atomes étaient liées de manière stable. Cette méthode simple d'enchevêtrement de plusieurs atomes peut être une ressource utile pour le traitement de l'information quantique.