Новая теоретическая работа ученых из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Мэриленда предполагает, что намеренное создание такой пробки из кольца из нескольких тысяч ультрахолодных атомов может позволить точные измерения движения. Если осуществить это с помощью правильной экспериментальной установки, атомы могли бы обеспечить измерение силы тяжести, возможно, даже на расстояниях всего 10 микрометров — примерно десятая часть ширины человеческого волоса.Хотя авторы подчеркивают, что еще предстоит проделать большую работу, чтобы показать, что такое измерение будет достижимо, потенциальным вознаграждением будет выяснение силы тяжести на очень малых масштабах длины.
Аномалии могут дать важные подсказки о поведении гравитации, в том числе о том, почему наша Вселенная расширяется с ускоренной скоростью.Эти атомные кольца могут не только дать ответ на глубокие фундаментальные вопросы, но и найти практическое применение. Они могут привести к созданию датчиков движения гораздо более точных, чем это было возможно ранее, или служить переключателями для квантовых компьютеров, где 0 представлен атомным тупиком, а 1 — движущимся атомным трафиком.
Авторы статьи связаны с Объединенным квантовым институтом и Объединенным центром квантовой информации и компьютерных наук, оба из которых являются партнерскими отношениями между NIST и Университетом Мэриленда.За последние два десятилетия физики исследовали экзотическое состояние материи, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК), которое существует, когда атомы накладываются друг на друга при низких температурах, на несколько градусов от абсолютного нуля.
В этих условиях крошечное облако атомов может стать одним большим квантовым «суператомом», что позволит ученым легче исследовать потенциально полезные свойства, такие как сверхпроводимость и сверхтекучесть.Физики-теоретики Стивен Рагол и Джейк Тейлор, авторы статьи, теперь предположили, что вариация идеи BEC может быть использована для определения вращения или даже исследования гравитации на коротких расстояниях, где другие силы, такие как электромагнетизм, обычно подавляют эффекты гравитации.
Идея состоит в том, чтобы использовать лазерные лучи, которые уже широко используются для управления холодными атомами, чтобы связать несколько тысяч атомов в кольцо диаметром от 10 до 20 микрометров.Как только кольцо сформировано, лазеры будут осторожно приводить его в движение, заставляя атомы циркулировать вокруг него, как автомобили, едущие один за другим по однополосной кольцевой дороге. И так же, как автомобильные шины вращаются, когда они движутся по тротуару, свойства атомов будут воспринимать влияние окружающего их мира, включая эффекты гравитации от масс всего в нескольких микрометрах от них.Кольцо воспользуется одним из контринтуитивных приемов квантовой механики, чтобы помочь ученым на самом деле измерить то, что его атомы узнают о гравитации.
Лазеры могут перемешивать атомы в так называемую «суперпозицию», означая, что в действительности они будут циркулировать по кольцу и одновременно находиться в состоянии покоя. Эта суперпозиция потока и блокировки поможет поддерживать отношения между атомами кольца в течение нескольких критических миллисекунд после снятия ограничений с их лазера, достаточно времени, чтобы измерить их свойства до того, как они рассеялись.Эта квантовая пробка может не только преодолеть сложную проблему измерения силы тяжести, но и может помочь физикам отказаться от некоторых из многих конкурирующих теорий о Вселенной — потенциально помогая расчистить давнюю пробку идей.Одна из величайших загадок космоса заключается в том, почему он расширяется с явно ускоряющейся скоростью.
Физики предположили, что это расширение вызывает внешняя сила, получившая название «темная энергия», но им еще предстоит выяснить ее происхождение. Одна из многих теорий заключается в том, что в космическом вакууме короткоживущие виртуальные частицы постоянно появляются и исчезают, а их взаимное отталкивание создает эффекты темной энергии. Хотя на некоторых уровнях это достаточно разумное объяснение, физики подсчитали, что эти частицы будут создавать такую силу отталкивания, что сразу же разнесет Вселенную на части.
Итак, как они могут согласовать наблюдения с идеей виртуальной частицы?«Одна из возможностей состоит в том, что основная ткань пространства-времени реагирует только на виртуальные частицы, которые находятся на расстоянии более нескольких микрометров друг от друга, — сказал Тейлор, — и это как раз тот вид разделения, который мы могли бы исследовать с помощью этого кольца холодных атомов. если вы можете игнорировать эффект частиц, которые действуют в этих коротких масштабах, вы можете учесть большую часть этой ненаблюдаемой энергии отталкивания. Она была бы там, просто она не повлияла бы ни на что в космическом масштабе ».
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.