【博科园–科学科普（关注“博科园”看更多）】当量子粒子聚集在一起并彼此交谈时，异国情调的物理学就会发生。理解这样的过程对科学家来说是具有挑战性的，因为粒子相互作用很难被窥见，甚至更难控制。此外现代计算机模拟难以理解大量粒子中所有复杂的动态。幸运的是原子冷却到接近零度的温度可以提供对这个问题的见解。激光可以使冷原子模仿其他系统中看到的物理 – 这是一种熟悉原子物理学家的地形。他们经常使用相交的激光束捕捉被称为光学晶格的连绵起伏的丘陵和山谷景观中的原子。当原子冷却时，没有足够的能量在山上行走，并且它们卡在山谷中。在这种环境中，原子与许多固体晶体结构中的电子行为相似，因此这种方法提供了一种直接了解真实材料内部相互作用的方式。
一种新的方法允许科学家在陡峭的墙壁之间捕获原子。图片版权：N.Beier / JQI
但是制作光学晶格的传统方式有一些局限性。激光的波长决定了山丘和山谷的位置，所以相邻山谷之间的距离以及原子之间的距离只能缩小到光波长的一半。使原子比这个极限更接近可以激活它们之间更强的相互作用，并揭示其他方面在黑暗中的影响。现在来自联合量子研究所（JQI）的一组科学家与奥地利因斯布鲁克的量子光学和量子信息研究所的研究人员合作，通过利用原子固有的量子特征来避开波长限制，这应该允许原子晶格邻居比以前更接近。这项新技术设法将柔和的格子小山挤压成仅相隔激光波长的五十分之一的陡峭壁，比传统方法窄25倍。这项基于两项先前理论建议的工作最近在“ 物理评论快报”上发表。
在大多数光学晶格中，原子通过在激光强度中重复平滑下降来排列 – 这种机制也适用于非量子物体，如细菌甚至玻璃珠。但是这忽略了原子的许多固有的量子特性。与玻璃珠不同，原子由某种颜色的激光激发，可以在其内部的不同量子版本之间进行内部切换，称为状态。该团队利用这个属性来构建格子，以有效地取代具有尖刺特征的连绵起伏的丘陵。JQI的博士后研究员兼论文的第一作者Yang Wang解释说：诀窍在于我们不依赖于光线本身的强度，相反我们使用光作为工具来促进量子力学效应，并为原子创造了新的景观。
为了创建这个晶格，研究人员将原子置于两色光模式中。每种颜色的选择都可以自己改变原子的内部状态，但是当两种颜色重叠时，每个点上的颜色越强烈，就会决定原子所处的内部状态。但是这种模式不是光滑的 – 那里有广阔的山谷，原子更喜欢一个状态，被切换的细条中断。量子力学的规则规定，每当原子改变其状态时，原子必须以能量的形式付出代价，就像爬山一样。虽然平稳的过渡可能会出现在星期天的原子周围，但较短距离的巨大变化很快就会演变成一次越来越陡峭的加速。在实验中，光线图案内的细条很窄，
这些尖锐的墙壁是追求使原子更接近的重要的第一步。这项新技术仍然为原子在广阔而平坦的平原内提供了足够的空间，但研究人员计划通过增加更多障碍来减少这种自由。JQI研究员，论文作者Trey Porto说：当我们采取步骤进一步限制原子时，原子之间的量子效应应该变得越来越重要，这有一个实际的副作用，因为它也增加了我们需要看到奇怪的量子行为的温度，冷却非常困难，所以这会使得我们更容易实现的物理学。研究小组表示，这种工具对于未来的量子化学实验也可能有用，使科学家能够将原子置于足够接近的范围内，进行小规模，高度控制的反应。
