Физиците чуха звука на атома

Взаимодействието между атомите и светлината е добре изучено и описано в квантовата оптика. В същото време отношенията между атомите и звуковите вълни е слабо известно.

За да поправят това недоразумение, екип физици от Технологичния университет „Чалмърс“ са създали връзка между акустични вълни и изкуствени атоми. Ролята на последните изпълнявали квантови електрически мрежи.

Изкуственият атом е пример за такава квантова електрическа верига. Точно както обикновеният атом квантовата електрическа верига може да бъде заредена с енергия, която след това да излъчи под формата на частица. Това обикновено е частица светлина (има се предвид естественият атом), но атомът от експеримента в Чалмърс вместо това е разработен да излъчва и поглъща енергия във формата на звук.

В опита учените използвали звук с честота 4,8 гигахерца, което е близко до микровълните, използвани в съвременните безжични мрежи. Казано на музикален език, този звук е с 20 октави над най-високата нота на рояла.

При такива високи честоти дължината на вълната на звука става достатъчно малка, за да може да се насочи по повърхността на микрочип. На въпросния чип се намирал изкуственият атом от свръхпроводим материал с дължина 0,01 мм.

„Според теорията звукът на атома се дели на потоци квантови частици. Такава частица е най-слабото проявление на звука, което може да бъде регистрирано. А тъй като звукът се движи 100 000 пъти по-бавно от светлината, нашият акустичен атом открива пред нас възможността за контрол над квантовите системи. Така можем да се научим да манипулираме квантовите частици на звука по време на техния полет през пространството“, разказва Мартин Густафсон, съавтор на изследването.

Акустичната дължина на вълната е по-къса от светлинната. Атомът, който взаимодейства със светлинните вълни, трябва да има определен размер – да е по-малък от самата дължина на светлинната вълна.

В случай на звукова вълна атомът може да е значително по-голям, а това значи, че свойствата му по-добре се поддават на контрол отвън. Например може да се накара атомът да взаимодейства само със звук с определена дължина на вълната или да се направи откликът на звук на атома по-осезаем.

„Отворихме вратата към нов раздел в квантовата физика, където можем буквално да слушаме атомите. Нашата дългосрочна цел е използването на квантовомеханичните принципи, например за създаването на изключително бързи изчислителни машини.

Ще построим електрически вериги, които ще се подчиняват на квантовите закони. Ще ги контролираме и изучаване“, казва водещият автор на изследването Пер Делсинг.

Статията с резултатите от изследването е публикувана в сп. Science.