量子現象的探索往往需要原子間的緊密接近，因爲當原子粒子非常接近時，它們之間的相互作用會變得更加顯著。麻省理工學院的物理學家們開發了一種新技術，能夠將原子排列得比以往任何時候都更近，這一技術可能對量子計算和量子材料的研究産生重大影響。

在量子模擬器中，科學家們通常通過將原子冷卻到幾乎靜止的狀態，然後使用激光光來定位粒子，使它們之間的距離盡可能接近，通常爲500納米。然而，麻省理工學院的物理學家們現在開發了一種技術，可以將原子間的距離縮小到僅有50納米。作爲參考，一個紅細胞的寬度大約爲1000納米。

研究人員在實驗中使用了镝（dysprosium），這是自然界中最具有磁性的原子。他們使用新技術操縱兩層镝原子，並將這兩層原子精確地定位在50納米的距離。在這種極端接近的情況下，原子間的磁相互作用比它們相隔500納米時要強1000倍。

此外，科學家們還能夠測量由原子接近引起的兩種新效應。他們增強的磁力導致了“熱化”（從一個層傳遞熱量到另一個層）以及層之間的同步振蕩。當層之間的距離增加時，這些效應逐漸消失。

MIT的John D. MacArthur物理學教授Wolfgang Ketterle表示：“我們已經將原子的定位從500納米減少到50納米，這爲我們提供了很多可能性。在50納米的距離下，原子的行爲非常不同，我們真的正在進入一個新的領域。”

Ketterle和他的同事們表示，這種新方法可以應用于許多其他原子，以研究量子現象。該團隊計劃使用這種技術操縱原子，以生成第一個純磁量子門——這是新型量子計算機的關鍵構建模塊。

這項研究的結果發表在《科學》雜志上。研究的共同作者包括主要作者、物理學研究生Li Du，以及Pierre Barral、Michael Cantara、Julius de Hond和Yu-Kun Lu，他們都是MIT-哈佛超冷原子中心、物理系和電子學研究實驗室的成員。

爲了操縱和排列原子，物理學家通常首先將一團原子雲冷卻到接近絕對零度的溫度，然後使用一系列激光束將原子限制在光學陷阱中。激光光是一種具有特定波長和頻率的電磁波。波長限制了光能夠形成圖案的最小尺寸，通常爲500納米，這就是所謂的光學分辨率極限。由于原子被某些頻率的激光光吸引，原子會被定位在激光強度最大的點上。因此，現有技術在定位原子粒子的距離上受到了限制，無法用于探索在更短距離上發生的量子現象。

Ketterle解釋說：“傳統技術在500納米處停止，這限制不是由原子本身，而是由光的波長決定的。我們現在找到了一種新的光的技巧，可以突破這個限制。”

團隊的新方法，像當前技術一樣，首先將一團原子冷卻到大約1微開爾文，僅略高于絕對零度，此時原子幾乎完全停止。然後，物理學家可以使用激光將這些凍結的粒子移動到所需的配置中。

接著，Du和他的合作者使用了兩個具有不同頻率或顔色和圓偏振（激光電場的方向）的激光束。當這兩個光束穿過超冷的原子雲時，原子可以將其自旋按照兩個激光的偏振方向相反地排列。結果是，這兩個光束産生了兩組相同原子，只是自旋方向相反。

每個激光束形成了一個駐波，這是一個電場強度的周期性模式，空間周期爲500納米。由于它們的偏振方向不同，每個駐波吸引並限制了兩組原子中的一組，這取決于它們的自旋。激光可以疊加和調整，使得它們各自的峰值之間的距離小至50納米，這意味著被每個激光峰值吸引的原子將被分隔開同樣的50納米。

但爲了實現這一點，激光器必須非常穩定，並且對所有外部噪聲免疫，例如來自搖晃或甚至對實驗吹氣。團隊意識到他們可以通過將兩個激光器通過一個光纖傳輸來穩定兩個激光器，這有助于將光束相對于彼此鎖定到位。

作爲他們新技術的首次測試，團隊使用了镝原子——一種稀土金屬，是周期表中最強大的磁性元素之一，特別是在超冷溫度下。然而，在原子尺度上，即使在500納米的距離上，該元素的磁相互作用也相對較弱。與普通冰箱磁鐵一樣，原子之間的磁吸引力隨著接近度的增加而增加，科學家們懷疑，如果他們的新技術能夠將镝原子的距離縮小到50納米，他們可能會觀察到磁原子之間原本較弱的相互作用的出現。

團隊將他們的技術應用于镝，首先將原子超冷，然後通過兩個激光器將原子分成兩個自旋組，或層。然後，他們通過光纖引導激光器以穩定它們，並發現確實，兩層镝原子被吸引到各自激光峰值，實際上將原子層之間的距離分隔爲50納米——這是任何超冷原子實驗能夠實現的最近距離。

在這種極其接近的距離下，原子的自然磁相互作用顯著增強，比它們相隔500納米時要強1000倍。團隊觀察到這些相互作用導致了兩種新的量子現象：集體振蕩，其中一個層的振動導致另一個層同步振動；以及熱化，其中一個層通過原子中的磁波動將熱量傳遞給另一個層。

團隊的結果引入了一種新技術，可以用來將多種類型的原子放置在近距離接觸。他們還表明，放置得足夠接近的原子可以表現出有趣的量子現象，這些現象可以用來構建新的量子材料，甚至可能用于量子計算機的磁性驅動原子系統。

Ketterle說：“我們真的正在將超分辨率方法引入該領域，它將成爲進行量子模擬的通用工具。有許多變體是可能的，我們正在研究。”

這項研究不僅展示了在量子技術領域的一項重大突破，而且強調了精確操控原子排列在量子計算和量子材料研究中的潛力。那麽，您如何看待這種新技術在量子科學中的應用前景？您認爲它將如何影響未來的量子技術發展？歡迎在評論區分享您的想法，與我們共同探討量子科學的未來。

參考資料：DOI： 10.1126/science.adh3023