Fysikere sammenfiltret 15 billioner atomer i varm gass

Innholdsfortegnelse:

Fysikere sammenfiltret 15 billioner atomer i varm gass
Fysikere sammenfiltret 15 billioner atomer i varm gass
Anonim

Forskere har brutt stereotypen om at kvanteforvikling er en utrolig skjør tilstand som krever ekstremt lave temperaturer og isolering av enkeltatomer. De skapte sammenfiltring i en varm gass med mange partikler og viste at den ikke kollapser når de kolliderer. Den nye tilnærmingen kan bidra til å utvikle ultrafølsomme sensorer som vil være nyttige for alle, fra leger til astronomer.

Prestasjonen er beskrevet i en vitenskapelig artikkel publisert i tidsskriftet Nature Communications.

Et skjørt kvantemirakel

"Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) snakket i detalj om hva kvanteinnvikling er. La oss kort huske at tilstandene til sammenfiltrede objekter er konsistente med hverandre, slik at ved å endre tilstanden til den ene, kan vi påvirke tilstanden til den andre (til tross for at informasjon ikke overføres mellom dem).

Dette fenomenet er av stor interesse for fysikere. Selv om det teoretisk ble spådd for mange tiår siden, blir eksperimentister aldri lei av å sjekke igjen og igjen om naturen faktisk oppfører seg så merkelig.

Som en hyggelig bonus får menneskeheten overfølsomme sensorer som kan opprettes ved hjelp av sammenfiltrede atomer.

Men det er en fangst. Det antas generelt at kvanteforvikling er en ekstremt skjør tilstand, og den minste påvirkningen kan ødelegge den. Derfor forvirrer eksperimenter som regel enheter, titalls eller hundrevis av partikler. For å forhindre at sammenfiltring forsvinner, oppbevares gjenstander "forbundet med en kjede" ved ekstremt lave temperaturer. Derfor blir forvirring til en ekstremt dyr fornøyelse.

Tallrike, varme, sammenfiltrede

Nå har fysikere fra Spania, Ungarn og Kina utfordret disse forestillingene ved å demonstrere sammenfiltrede stater i varmt gassformig rubidium.

Forfatterne jobbet med en prøve som inneholdt over 50 billioner atomer. Etter daglig standard er dette fortsatt et dypt vakuum, fordi en liter atmosfærisk luft inneholder milliarder ganger flere molekyler. Men likevel er dette eksperimentet påfallende forskjellig fra de forrige, der mye færre partikler ble viklet inn.

I tillegg ble stoffet oppvarmet til 180 grader Celsius, det vil si at det var en varm damp. Det ser ut til at det i en slik tilstand ikke kan være snakk om noen kvanteforvikling. Men fysikere har vist at dette ikke er tilfelle.

Til enhver tid var rundt 15 billioner atomer viklet inn i hverandre. Denne tilstanden vedvarte i omtrent ett millisekund. Så gikk det sammenfiltrede systemet i oppløsning, og et nytt dukket opp. Samtidig var atomene som var viklet med hverandre ikke nødvendigvis tilstøtende: det kan være tusenvis av andre atomer mellom dem.

Legg merke til at et millisekund er en enorm tid etter atomstandarder, hvor hvert atom klarte å kollidere med sine naboer omtrent 50 ganger.

"Dette viser tydelig at forvikling ikke blir ødelagt av disse tilfeldige hendelsene. Dette er kanskje det mest overraskende resultatet av arbeidet," innrømmer førsteforfatter Jia Kong ved Barcelona Institute of Science and Technology.

Image
Image

Fysikere har oppdaget sammenfiltrede systemer av billioner av atomer i den varme dampen av rubidium.

Flokket i ryggen

Hva er manifestasjonen av kvanteforvikling av rubidiumatomer?

Det er ett elektron i rubidiumatomet på det eksterne energinivået. Som du vet, har hvert elektron et spinn (vinkelmoment), som har en retning. Relativt sett kan den rettes opp eller ned.

La oss ta et bestemt atom og kalle det Vasya. Når Vasya kolliderer med noen av de mange naboene, kan rotasjonen til det ytre elektronet hans snu (eller ikke, dette er uforutsigbart).

Hvordan reagerer andre atomer på et slikt kupp og danner et vennlig sammenfiltret system med Vasya? En av dem snur umiddelbart spinnet til det ytre elektronet i motsatt retning. Og dette til tross for at dette "bekymret for en kollega" -atomet i seg selv i det øyeblikket ikke kolliderte med noe.

Det vil si at i hele systemet, til tross for konstante uforutsigbare kollisjoner, er det samme antallet spinn alltid rettet oppover og nedover. Dette er kvanteforvikling: Atomtilstandene forblir konsistente, selv om de ikke påvirker hverandre.

Forsøkerne fant dette ut ved å føre en laserstråle gjennom rubidiumdamp. Energien til fotonene ble valgt slik at de ikke eksiterer atomer og ikke ødelegger den sammenfiltrede tilstanden. Men atomene selv påvirket fotonene, og ut fra denne effekten var det mulig å bestemme i hvilken retning spinnet til de ytre elektronene ble rettet.

Fra laboratorium til liv

Å håndtere titalls billioner atomer ved høye temperaturer er ikke på langt nær så dyrt som å ta individuelle atomer og avkjøle dem til nær absolutt null. Derfor håper forfatterne at deres oppdagelse til slutt vil bli grunnlaget for utviklingen av overfølsomme sensorer (spesielt magnetiske feltsensorer). De kan være nyttige på en rekke områder: fra medisinsk undersøkelse av hjernen til opprettelse av ubemannede kjøretøyer og detektorer av mørkt stoff.

Anbefalt: