Natuurkundigen hebben twee atomen ontdekt die met elkaar ‘praten’

Een kunstenaar presenteerde een recente ervaring.

Een kunstenaar presenteerde een recente ervaring.
Verduidelijking: TU DELFT / SCIXEL

Een team van natuurkundigen in Nederland en Duitsland plaatste onlangs een groep titaniumatomen onder een scanning tunneling microscoop. Deze atomen waren in constante en stille interactie met elkaar door de richtingen van hun rotatie. In een slimme doorbraak waren onderzoekers in staat om in te breken in een enkel paar atomen en een van hen te elektrocuteren met een elektrische stroom om de rotatie ervan om te keren. Vervolgens maten ze de reactie van haar partner.

Wanneer twee atomen een geconjugeerde spin bevatten, worden ze als kwantitatief verstrengeld beschouwd. Deze verstrengeling betekent dat het gedrag van het ene atoom een ​​direct effect heeft op het andere, en de theorie zegt dat dit ook moet blijven als het wordt gescheiden. Grote afstanden. In dit geval waren de titaniumatomen enigszins verwijderd van een nanometer (een miljoenste van een millimeter) dichtbij genoeg om de twee deeltjes met elkaar te laten interageren, maar ver genoeg weg dat de interactie kon worden gedetecteerd door de tools van het team.

“De belangrijkste ontdekking is dat we het gedrag van atomaire spins in de loop van de tijd hebben kunnen observeren als gevolg van hun onderlinge interactie”, zegt co-auteur Sander Otti, een kwantumfysicus bij het Kavli Institute for Nanoscience. Aan de Technische Universiteit Delft in Nederland. Otti legde in een e-mail uit dat wetenschappers voorheen in staat waren om de sterkte van verschillende atoomcycli en het effect van die kracht op het energieniveau van een atoom te meten. Maar door deze ervaring konden ze deze reactie in de loop van de tijd volgen.

Een van de grote verwachtingen van experimentele fysica is dat onderzoekers ooit kwantuminteracties naar hun zin kunnen simuleren, het kwantumsysteem naar eigen inzicht kunnen aanpassen en kunnen observeren hoe de kwantummechanica werkt. In feite deden de onderzoekers dit door een specifieke actie op één atoom los te laten en te observeren hoe het naburige atoom op elkaar inwerkt.

“Dit is een heel coole demonstratie van een heel eenvoudige kwantumsimulatie”, zegt Ella Lachman, een kwantumfysicus aan de University of California, Berkeley die niet betrokken was bij de nieuwe studie. “Door de posities van de atomen te controleren, kunnen we theoretisch een exacte replica bouwen van het rooster of een willekeurig systeem waarvan we de dynamiek willen bestuderen.”

Het team koos ervoor om met titaniumatomen te werken omdat ze zo min mogelijk opties hebben om te draaien – zowel omhoog als omlaag. Titaniumatomen werden aan het oppervlak van magnesiumoxide gehecht en hielden ze op hun plaats voor onderzoek. Vastgehouden aan dit oppervlak, dat in een bijna leeg vacuüm is gehouden op slechts één graad Kelvin, of -457,87 Fahrenheit, kunnen wetenschappers atomen afzonderlijk onder de punt van de microscoop uitkiezen (dat is het mooie cijfer) Video Laat zien hoe dat werkt). Ze kunnen dan de rotatie van het atoom omkeren door één atoom in paren te duwen met een elektrische puls, waardoor een onmiddellijke reactie van zijn buurman ontstaat. Otti zei dat deze reacties kunnen worden voorspeld door de wetten van de kwantummechanica. (Als je “klop” zegt, kun je er zeker van zijn dat het volgende deeltje zal reageren “Van daaruit?”) Het hele proces duurde ongeveer 15 nanoseconden, of 15 miljardsten van een seconde. Hun zoektocht was Gepubliceerd Vandaag in de wetenschap.

Er zijn andere manieren om te lezen in de kwantumwereld. Wetenschappers zijn in staat om interacties tussen atomen op te roepen door de rotatie van een van de atomen te veranderen, maar deze onderlinge verbinding verloopt zo snel dat typische observatiemiddelen, zoals Rotatieresonantie techniek, Het kan niet worden ontvangen. Kwantumonderzoekers Microgolfpulsen worden vaak gebruikt Atomen zover krijgen dat ze van toestand veranderen of de kwantummechanica op een andere manier observeren, maar deze benadering van elektrische pulsen gaf het team de mogelijkheid om subtielere dan subtiele interacties waar te nemen. DM is equivalent van één atoom tot een atoom.

Methoden zoals spinresonantietechnologie zijn “gewoon erg traag”, zei Lucas Feldman, een kwantumfysicus bij het Cavelli Institute for Nanoscience. Aan de Technische Universiteit Delft, in Delft Vrijlating. “Ik begon amper de ene te draaien of de andere begon te draaien. Op die manier kun je nooit verifiëren wat er gebeurt als je de twee windingen in tegengestelde richting draait.”

De microscoop die werd gebruikt in het recente experiment van het team.

De microscoop die werd gebruikt in het recente experiment van het team.
afbeelding: TU Delft / Unisoku

Otti zei dat de echte magie van dit soort onderzoek nog moet komen. Omdat deze ontdekking de terugslag van spins tussen twee atomen in kaart heeft gebracht, wordt de situatie complexer met elk atoom dat je aan de vergelijking toevoegt. U kunt denken aan een spelletje aan de telefoon waarbij deelnemers het bericht kunnen doorgeven terwijl ze het nogmaals fluisteren zoals het kwam. Berichten die uit verschillende richtingen komen, beginnen elkaar te kruisen, waardoor officiële gegevens worden vervormd.

“Zoals altijd zijn spelmodellen geweldig, maar als we er eenmaal de complexiteit aan toevoegen waar we echt om geven, worden de vragen over hun metingen en hun interpretaties complexer”, aldus Lachman. Kunnen ze hetzelfde experiment doen met drie atomen terwijl ze maar één atoom meten? Misschien wel, maar de interpretatie van de analogie wordt ingewikkelder. Hoe zit het met tien atomen? Twintig? Tijd en behendigheid zullen bepalen of dit een geweldige demo van een gamemodel of iets diepers is. Het potentieel is er. “

Otte benadrukte ook de uitdagingen van het buigen van de geest om een ​​eenvoudig twee-atoomsysteem te overwinnen. “Als we het verhogen tot 20 beurten, kan mijn laptop niet berekenen wat er aan de hand is. Bij 50 beurten geven de beste supercomputers ter wereld het op, enzovoort,” zei Otte. “Als we precies willen begrijpen hoe het complexe gedrag van bepaalde stoffen tot stand komt (een uitstekend voorbeeld is supergeleiding), zullen we materialen vanaf nul moeten” bouwen “en leren hoe de wetten van de fysica werken wanneer we van 10 naar 100 naar 1000 atomen toenemen. . ” Supergeleiding verwijst naar materialen die zonder weerstand elektriciteit kunnen doorgeven, wat momenteel alleen mogelijk is bij extreem lage temperaturen. Om deze reden is een Een supergeleider bij kamertemperatuur is de heilige graal van de natuurkunde. Het zal de wereld compleet veranderen.

Maar het is bij deze hoge cijfers dat je de laatste beloningen begint te herkennen. In plaats van een enkel geluid van hart tot hart te horen, kunnen onderzoekers eindelijk het geruis horen van kwantumgesprekken waarbij veel atomen heen en weer flippen. Voor dergelijke valkuilen hebben we natuurlijk betere computers nodig, maar zelfs de kleinste interacties zijn vooral belangrijk, als het begin van een groter gesprek.

Meer: wanneer zullen kwantumcomputers het beter doen dan gewone computers?

READ  Euro 2020: Nederland kondigt een voorlopige selectie van 34 spelers aan

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *