Künstliche Atome reden... und Wissenschaftler hören

Zum ersten Mal haben Physiker herausgefunden, wie man mit einem künstlichen Atom mit Sound statt Licht kommunizieren.

Wissenschaftler wissen schon viel über die Interaktion zwischen Atomen und Licht. Wenn Atome mit Energie aufgeladen werden, stoßen sie oft subatomaren Teilchen der Lichtphotonen genannt. Die Photonen gehören zu der verrückten Welt der Quantenmechanik, wo sie Verhalten sich wie Teilchen und Welle, und Wissenschaftler studiere seit Jahrzehnten ihr seltsames Verhalten. Aber jetzt Forscher an der Chalmers University of Technology in Schweden haben ein künstliches Atom, die Klangpartikel (so genannte Phononen) emittieren kann anstelle von Photonen nachdem er sich aufgeladen ist.

"Wir eine neue Tür in die Quantenwelt geöffnet haben durch sprechen und zuhören, Atome," sagte pro Delsing, Professor für Mikrotechnik und Nanowissenschaften an der Chalmers, in einer Erklärung. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

Herstellung-Phononen

Um den Strom der Klangpartikel erstellen, verwendeten die Forscher eine supraleitende Schaltung, die ein "künstliches Atom." vertreten Künstliche Atome können über mehrere Ebenen der Energie wie eine echte Atom aufgeladen werden, und Wissenschaftler können das Quantenverhalten der Partikel emittieren sie studieren.

Für das Experiment gekühlt die Forscher die künstlichen Atom zum absoluten Nullpunkt in der Nähe, so dass Wärme die zarten Quantensystem nicht stören würde. Die künstlichen Atom das Team verwendet ist nur 0,0004 (0,01 Millimeter) lang. Das Setup enthalten auch einen Lautsprecher und Mikrofon zur Aufzeichnung der Ton ausgegeben.

Künstliche Atome sind in der Regel mit Licht gekoppelt aber für dieses Experiment verknüpft die Forscher die künstlichen Atom zu klingen. Sie setzen die supraleitende Schaltung zwischen zwei Elektroden mit piezoelektrischen Fasern bedeckt. Die piezoelektrischen Oberflächen Schwingungen in eine elektrische Ladung umwandeln und dann wandeln, dass Strom in einer Schallwelle.

Die Forscher feuerte dann die Schallwelle auf den künstlichen Atom. Die künstlichen Atom absorbiert die Schallwelle und seine Energieniveau erhöht, erreicht, was Wissenschaftler nennen einen "angeregten Zustand." Wie das Atom entspannt zurück in ein "Grundzustand", veröffentlichte es Phononen. Die Forscher gemessen und erfasst das Verhalten der Phononen und entdeckt die Bindung zwischen einem künstlichen Atom und Ton ist viel stärker als die Bindung zwischen einem künstlichen Atom und Licht erstellt. Die stärkere Bindung erleichtert die Phononen zu manipulieren.

Wie klingt ein Atom?

Der Strom von Teilchen, die aus dem künstlichen Atom kam ist der schwächste Ton, der erkannt werden können, obwohl die Forscher die tatsächliche Dezibel messen nicht. Es ist viel zu hoch für das menschliche Ohr zu erkennen. Die Forscher Maßen die Frequenz bei 4,8 Gigahertz, nicht weit von Mikrowellenfrequenzen in Wireless-Netzwerken verwendet. Auf eine Tonleiter ist eine D28-Notiz oder etwa 20 Oktaven über dem höchsten Ton auf einem Flügel.

Studium der Phononen statt Photonen könnten neue Einblicke in die Welt der Quanten, die Wissenschaftler noch nicht vollständig verstehen.

"Aufgrund der langsamen Geschwindigkeit des Schalls, haben wir Zeit, um die Quanten-Partikel zu steuern, während sie reisen," führen Autor der Studie Martin Gustafsson, ein Forscher an der Columbia University, sagte in der Erklärung. "Das ist schwer zu erreichen mit Licht, die 100.000-Mal schneller bewegt."

Es ist schwierig zur Untersuchung des Verhaltens von Quantenteilchen, weil ihre Quantenzustand zusammenbricht, sobald Forscher starten stochern und Messung der Partikel. Künstliche Atome geben Wissenschaftler bereits mehr Kontrolle über Quantensysteme, aber langsam-bewegenden Schallwellen machen es noch einfacher, die Teilchen zu manipulieren. Lernen mehr über Quantenteilchen könnte dazu beitragen, dass Wissenschaftler, die näher an der Entwicklung von Technologien wie superschnelle Quantencomputer und Quanten-Kryptographie für sichere Kommunikation.

Details des Experiments wurden in der Fachzeitschrift Science Express 11 September veröffentlicht.

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