双重麻烦：美国物理学家创造了双层超冷磁性Atom，间隔仅 50 Nano。 （图片来源：Shutterstock/Inna-Bigun）
两个磁性Atom的玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC) 已被制造出来，彼此之间的距离仅 50 nm，这为物理学家提供了在这个长度尺度上研究Atom相互作用的第一次机会。 美国物理学家的工作可能会导致对量子物理学中一些有趣的集体现象的研究，甚至可能在量子计算中有用。
BEC 首次创建于 1995 年，现已成为研究量子物理的宝贵工具。 BEC 是一个宏观实体，包含由单个量子波函数描述的数千个Atom。 它们是通过将被捕获的玻色子Atom云冷却到如此低的温度而产生的，以致大部分Atom处于系统的最低能量（基态）状态。
BEC 应该是研究奇异的强相互作用系统的量子物理的理想选择。 然而，为了延长 BEC 的使用寿命，物理学家需要将其与外界隔离，以防止退相干。 这种隔离的需要使得 BEC 很难靠得足够近来研究相互作用。
PancakeSwap层
在这项新工作中，麻省理工学院的 Wolfgang Ketterle（他因突破 BEC 获得 2001 年诺贝尔物理学奖）团队的研究人员通过创建镝Atom的双层 BEC 解决了这个问题，两层只有 50相隔Nano。 为了实现这一目标，研究人员必须使用波长超过其间隔十倍的激光来保持两个PancakeSwap状凝聚层之间的恒定距离。 使用单独的光阱这几乎是不可能的。
相反，研究人员利用了镝具有非常大的自旋磁矩这一事实。 他们利用外加磁场解除了两种电子自旋态的简并性。 具有相反自旋的Atom与频率略有不同和相反偏振的光耦合。 研究人员将两个频率的光沿着同一条光纤传送到同一个镜子上。 两束光束在腔体内形成驻波。 “如果这两个驻波的频率略有不同，那么在我们加载双层阵列的位置，这两个驻波将会稍微偏离，”描述该研究的论文的主要作者李杜说。 “因此，通过调整频率差，我们能够调整层间分离，”他补充道。
由于两个光束使用相同的光纤和相同的镜子，因此它们对这些组件的物理干扰具有鲁棒性。 杜说：“我们的方案保证有两个驻波，它们可以稍微震动，或者可能很大，但震动是一种常见模式，因此两层之间的差异总是固定的。”
环Atom
研究人员将其中一层加热约 2 μK，并展示热量如何通过Atom偶极子的磁耦合穿过真空间隙流到另一层。 接下来，他们诱发了一层位置的振荡，并展示了这些振荡如何影响另一层的位置：“我们用锤子敲击一层，我们看到另一层 [layer] 也开始响起，”杜说。
研究人员现在希望利用该平台来研究距离比一个光子波长更近的Atom如何与光相互作用。 “如果间隔远小于光的波长，那么光就无法分辨 [the atoms] 分开，”杜说。 “这可能使我们能够研究一种称为超级辐射的特殊效果。”
除此之外，研究人员还想研究这项工作在量子计算中的潜力：“我们真的很想实现一个纯粹由磁偶极子-偶极子相互作用驱动的磁性量子门，”他说。 同样的平台也可以用于分子的 BEC，这将开启电偶极子相互作用的研究。 事实上，2023 年末，美国哥伦比亚大学的研究人员发表了一份预印本，描述了他们如何创建偶极分子的 BEC。 该预印本尚未经过同行评审。
扭曲石墨烯
伊利诺伊州芝加哥大学的实验Atom物理学家 Cheng Chin 去年与中国山西大学的研究人员合作，生产了双层铷Atom来模拟扭曲的双层石墨烯，他表示 Ketterle 和同事的研究“非常非常”有趣的”。
他补充道：“这是我们第一次能够以如此小的间距制备两层冷Atom系统……控制这样的二维系统很困难，但为了引起两个平面所需的相互作用是必要的。 这是一个非常明智的Atom选择，因为镝具有非常大的偶极-偶极相互作用。 在半微米的传统间距下，你无法看到两层之间有任何形式的耦合，但 50 Nano足以表明两个平面中的Atom确实可以相互通信。”
他建议两个团队研究的后续工作可以中心化于模拟物质的新相以及模拟超导双层石墨烯等新兴相。
这项研究在《科学》杂志上有描述。
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