利用量子模拟器将原子尽可能紧密地排列在一起，有助科学家探索奇异物质状态，构建新型量子材料。传统上，这些模拟器捕获原子的间隔至少为500纳米。现在，美国麻省理工学院研究人员开发出一种新技术，突破了这一限制，将原子间距离缩小到原来的1/10，相距仅50纳米。相关研究发表在最新一期《科学》杂志上。
《科学》杂志论文截图
在量子力学领域，邻近性占据主导地位。原子越近，它们的相互作用就越强。为了操纵和排列原子，科学家通常先将一团原子云冷却到接近绝对零度，然后使用激光束系统将原子限制在光陷阱中。此次，研究团队首先将原子云冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高一点点，此时原子几乎处于静止状态。然后，他们用激光将冷冻粒子移动到所需位置。
研究人员开发出一种技术，可以将原子排列间隔缩小至50纳米。图片来源：物理学家组织网
研究人员使用了两束具有不同频率（颜色）和偏振角度的激光。当两束光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光的偏振方向调整自旋方向，使光束产生两组相同原子，但是自旋相反。
每束激光形成一个驻波，即电场强度在空间上呈周期性变化的图案，其空间周期为500纳米。由于它们的偏振不同，每个驻波都会吸引和聚集两组原子中的一组，这取决于它们的自旋。激光可重叠和调谐，使得它们各自的峰值之间距离只有50纳米，这意味着每个激光峰值所吸引的原子将以同样的50纳米隔开。
实验中所用原子为镝，镝是自然界最具磁性的原子之一。研究团队用这种新方法操纵两层镝原子，并将两层之间的距离精确地定位为50纳米。在这种极近距离下，磁相互作用比两层之间相隔500纳米的情况强1000倍。
研究团队发现，因原子接近而增强的磁力会导致“热化”，即热量从一层传递到另一层，以及各层之间的同步振荡。当层之间的距离拉大，这些效应就会逐渐减弱。
研究人员表示，新技术还可用其他原子来研究量子现象。他们计划用该技术来操纵原子，使其形成一个纯磁性量子门，这是一种新型量子计算机的关键组成部分。