İspanya’daki ICFO araştırmacıları tarafından geliştirilen benzersiz bir kuantum gaz mikroskobu olan QUIONE, karmaşık kuantum sistemlerini simüle etmek ve atom düzeyindeki malzemeleri araştırmak için stronsiyumdan yararlanıyor. Mevcut hesaplama yeteneklerinin ötesindeki sorunları çözmeyi amaçlıyor ve süper akışkanlık gibi olguları zaten kanıtlamış durumda.
Kuantum fiziği, malzemelerin mikroskobik özelliklerini daha derinlemesine incelemek için yüksek hassasiyetli algılama tekniklerine ihtiyaç duyar. Son zamanlarda ortaya çıkan analog kuantum işlemcilerden sözde kuantum gazı mikroskopları atom düzeyinde kuantum sistemlerini anlamak için güçlü araçlar olduğu kanıtlanmıştır. Bu cihazlar görüntüleri üretir kuantum gazları çok yüksek çözünürlükle: tek tek atomların tespit edilmesine olanak sağlarlar.
QUIONE’un geliştirilmesi
Şimdi, ICFO araştırmacıları (Barselona, İspanya) Sandra Buob, Jonatan Höschele, Dr. Vasiliy Makhalov ve ICFO Leticia Tarruell’deki ICREA Profesörü liderliğindeki Dr. Antonio Rubio-Abadal, QUIONE adlı kendi kuantum gaz mikroskobunu nasıl inşa ettiklerini açıklıyorlar. Yunan kar tanrıçasından sonra. Grubun kuantum gaz mikroskobu, dünyada stronsiyum kuantum gazlarının bireysel atomlarını görüntüleyen tek mikroskobu ve aynı zamanda İspanya’da türünün ilk örneğidir.
Bireysel atomların ayırt edilebildiği etkileyici görüntülerin ötesinde QUIONE’nin amacı kuantum simülasyonudur. ICREA Prof. Leticia Tarruell’in açıkladığı gibi: “Kuantum simülasyonu, çok karmaşık sistemleri daha basit modellere indirgemek ve daha sonra, bazı malzemelerin nispeten yüksek sıcaklıklarda bile elektriği neden herhangi bir kayıp olmadan ilettiği gibi mevcut bilgisayarların cevaplayamadığı açık soruları anlamak için kullanılabilir. ”
ICFO’daki grubun bu alandaki araştırması ulusal düzeyde destek (İspanya Kraliyet Fizik Derneği’nden ödül ve BBVA Vakfı, Ramón Areces Vakfı, La Caixa Vakfı ve Cellex Vakfı’ndan proje ve bağışlar) ve Avrupa’dan destek aldı. düzeyde (bir ERC projesi dahil). Ayrıca QUIONE, Katalan Hükümeti’nin kuantum teknolojilerini teşvik etme taahhüdünün bir parçası olarak, İşletme ve Çalışma Bakanlığı Dijital Politikalar Sekreterliği aracılığıyla Katalonya Hükümeti tarafından ortak finanse edilmektedir.
Bu deneyin benzersizliği, stronsiyum gazını kuantum rejimine getirmeyi, onu atomların çarpışmalarla etkileşime girebileceği optik bir kafese yerleştirmeyi ve ardından tekli yöntemi uygulamayı başarmaları gerçeğinde yatmaktadır. atom görüntüleme teknikleri. Bu üç bileşen bir araya gelerek ICFO’nun stronsiyum kuantum gaz mikroskobunu kendi türünde benzersiz kılıyor.
Neden Stronsiyum?
Şimdiye kadar bu mikroskop düzenekleri, stronsiyum gibi alkalin toprak atomlarına kıyasla optik spektrumları açısından daha basit özelliklere sahip olan lityum ve potasyum gibi alkalin atomlara dayanıyordu. Bu, stronsiyumun bu deneylerde kullanılacak daha fazla içerik sunduğu anlamına gelir.
Aslında son yıllarda stronsiyumun benzersiz özellikleri, onu mühendislik alanlarındaki uygulamalar için çok popüler bir element haline getirmiştir. kuantum hesaplama ve kuantum simülasyonu. Örneğin, stronsiyum atomlarından oluşan bir bulut, atomik kuantum işlemci olarak kullanılabilir ve bu, mevcut klasik bilgisayarların yeteneklerinin ötesindeki sorunları çözebilir.
Sonuçta, ICFO araştırmacıları stronsiyumda kuantum simülasyonu için büyük bir potansiyel gördüler ve kendi kuantum gaz mikroskobunu oluşturmak için çalışmaya başladılar. QUIONE böyle doğdu.
QUIONE, Gerçek Kristallerin Kuantum Simülatörü
Bunun için öncelikle stronsiyum gazının sıcaklığını düşürdüler. Birkaç lazer ışınının gücü kullanılarak atomların hızı, neredeyse hareketsiz kalacakları, zar zor hareket edecekleri ve sıcaklıklarının neredeyse sıfıra düşeceği bir noktaya kadar azaltılabilir. tamamen sıfır sadece birkaç milisaniye içinde. Daha sonra, kuantum mekaniğinin yasaları onların davranışlarını yönetir ve atomlar, kuantum süperpozisyonu ve dolanıklık gibi yeni özellikler sergiler.
Daha sonra araştırmacılar, özel lazerlerin yardımıyla, atomların uzay boyunca bir ızgara halinde düzenlenmesini sağlayan optik kafesi etkinleştirdiler. “Bunu bir yumurta kartonu gibi hayal edebilirsiniz, burada bireysel alanlar aslında yumurtaları koyduğunuz yerlerdir. Ancak yumurta yerine atomlarımız var ve karton yerine optik kafesimiz var” diye açıklıyor makalenin ilk yazarı Sandra Buob.
Yumurtalıktaki atomlar birbirleriyle etkileşime giriyor, bazen bir yerden diğerine hareket etmek için kuantum tünellemeyi deneyimliyorlar. Atomlar arasındaki bu kuantum dinamiği, belirli malzemelerdeki elektronlarınkini taklit eder. Bu nedenle bu sistemlerin incelenmesi, kuantum simülasyonunun temel fikri olan belirli malzemelerin karmaşık davranışlarının anlaşılmasına yardımcı olabilir.
Gaz ve optik kafes hazır olur olmaz, araştırmacılar mikroskoplarıyla görüntüleri aldılar ve sonunda stronsiyum kuantum gazını atom atom gözlemleyebildiler. Bu noktada QUIONE’nin inşası zaten başarılıydı ancak yaratıcıları bundan daha fazlasını elde etmek istiyordu.
Böylece resimlerin yanı sıra atomların videolarını da çektiler ve görüntüleme sırasında atomların hareketsiz kalması gerekirken bazen yakındaki bir kafes bölgesine sıçradıklarını gözlemleyebildiler. Bu, kuantum tünelleme olgusuyla açıklanabilir. “Atomlar bir bölgeden diğerine “zıplıyordu”. Kelimenin tam anlamıyla onların doğasında olan kuantum davranışlarının doğrudan tezahürüne tanık olduğumuz için, bunu görmek çok güzel bir şeydi,” diye paylaşıyor Buob.
Son olarak araştırma grubu, stronsiyum gazının bir süperakışkan, yani maddenin viskozitesi olmadan akan bir kuantum fazı olduğunu doğrulamak için kuantum gaz mikroskobunu kullandı. “Atomların uzayda genişleyip birbirlerine müdahale edebilmesi için kafes lazerini aniden kapattık. Bu, süperakışkandaki atomların dalga-parçacık ikiliğinden dolayı bir girişim deseni yarattı. Ekipmanımız bunu yakaladığında, örnekte aşırı akışkanlığın varlığını doğruladık” diye açıklıyor Dr. Antonio Rubio-Abadal.
ICREA profesörü Leticia Tarruell, “Kuantum simülasyonu için çok heyecan verici bir an” diyor. “Mevcut kuantum gazı mikroskopları listesine stronsiyumu da eklediğimize göre, yakında daha karmaşık ve egzotik malzemeleri simüle edebiliriz. Daha sonra maddenin yeni evrelerinin ortaya çıkması bekleniyor. Ayrıca bu makineleri analog kuantum bilgisayarlar olarak kullanmak için çok daha fazla hesaplama gücü elde etmeyi de bekliyoruz.”
Referans: Sandra Buob, Jonatan Höschele, Vasiliy Makhalov, Antonio Rubio-Abadal ve Leticia Tarruell tarafından yazılan “A Stronsiyum Kuantum Gaz Mikroskobu”, 18 Nisan 2024, PRX Kuantum.
0 Yorumlar