由于原子的反冲作用，精确测量单个原子的能量状态一直是物理学家面临的历史性挑战。当原子与光子相互作用时，原子会向相反方向“反冲”，这使得精确测量原子的位置和动量变得困难。这种反冲对量子传感有着重大影响，量子传感可以检测参数的微小变化，例如利用引力波的变化来确定地球的形状，甚至探测暗物质。
在 《科学》杂志上发表的一篇新论文中， JILA 和 NIST 研究员 Ana Maria Rey 和 James Thompson、JILA 研究员 Murray Holland 及其团队提出了一种克服原子反冲的方法，即展示一种称为动量交换相互作用的新型原子相互作用，其中原子通过交换相应的光子来交换动量。
研究人员利用一个腔体(由镜子组成的封闭空间)观察到，原子的反冲力被封闭空间内原子交换能态所减弱。这一过程产生了能量的集体吸收，并将反冲力分散到整个粒子群中。
有了这些结果，其他研究人员可以在各种实验中设计腔体来减弱反冲和其他外部效应，这可以帮助物理学家更好地理解复杂系统或发现量子物理的新方面。改进的腔体设计还可以实现更精确的超导模拟，例如在玻色-爱因斯坦凝聚态-巴丁-库珀-施里夫特 (BEC-BCS) 交叉或高能物理系统的情况下。
首次观察到动量交换相互作用在原子动量态之间诱发单轴扭曲 (OAT) 动力学，这是量子纠缠的一个方面。OAT 就像一条量子辫子，可以纠缠不同的分子，因为每个量子态都会扭曲并连接到另一个粒子。
此前，OAT 仅出现在原子内部状态中，但现在有了这些新结果，人们认为动量交换引起的 OAT 有助于减少来自多个原子的量子噪声。能够纠缠动量状态还可以改善量子传感器的一些物理测量，例如引力波。
利用密度光栅
在这项新研究中，受到汤普森和他的团队先前研究的启发，研究人员检查了量子叠加的效应，这使得光子或电子等粒子可以同时存在于多种量子态中。
“在这个(新)项目中，所有原子都共享相同的自旋标签;唯一的区别是每个原子都处于两种动量态的叠加状态，”研究生兼第一作者罗成毅解释道。
研究人员发现，通过迫使原子交换光子及其相关能量，他们可以更好地控制原子的反冲。类似于躲避球游戏，一个原子可以“扔”一个“躲避球”(一个光子)并向相反方向反冲。该“躲避球”可能被第二个原子接住，这会给第二个原子造成相同大小的反冲。这会抵消两个原子所经历的两次反冲，并在整个腔系统中取平均值。
当两个原子交换不同的光子能量时，所产生的波包(一个原子的波分布)会叠加形成一个动量图，称为密度光栅，看起来像一把细齿梳子。
罗补充道：“密度光栅的形成表明[原子内的]两个动量状态是‘相干’的，因此它们可以[相互]干扰。”研究人员发现，原子之间的光子交换导致两个原子的波包结合，因此它们不再是单独的测量值。
研究人员可以通过探索密度光栅和光学腔之间的相互作用来诱导动量交换。由于原子交换能量，吸收光子产生的任何反冲都会分散到整个原子群中，而不是单个粒子中。
抑制多普勒频移
利用这种新的控制方法，研究人员发现他们还可以使用这种后坐力衰减系统来帮助缓解一个单独的测量问题：多普勒频移。
多普勒频移是古典物理学中的一种现象，它解释了为什么警报器或火车喇叭的声音在经过听众时会改变音调，或者为什么某些星星在夜空图像中呈现红色或蓝色——这是当源和观察者彼此靠近(或远离)时波的频率发生变化。在量子物理学中，多普勒频移描述了粒子由于相对运动而产生的能量变化。
对于像罗这样的研究人员来说，多普勒频移是获得精确测量结果的一大挑战。“当吸收光子时，原子的反冲会导致光子频率发生多普勒频移，这对于精密光谱学来说是一个大问题，”他详细阐述道。通过模拟他们的新方法，研究人员发现它可以克服多普勒频移导致的测量偏差。
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！
