Menambahkan suara ke simulasi kuantum — ScienceDaily
Top Technology

Menambahkan suara ke simulasi kuantum — ScienceDaily

Ketika suara pertama kali dimasukkan ke dalam film pada 1920-an, itu membuka kemungkinan baru bagi pembuat film seperti musik dan dialog lisan. Fisikawan mungkin berada di ambang revolusi serupa, berkat perangkat baru yang dikembangkan di Universitas Stanford yang menjanjikan untuk membawa dimensi audio ke eksperimen sains kuantum yang sebelumnya sunyi.

Secara khusus, itu bisa membawa suara ke pengaturan ilmu kuantum umum yang dikenal sebagai kisi optik, yang menggunakan jaring sinar laser yang saling bersilangan untuk mengatur atom secara teratur menyerupai kristal. Alat ini biasanya digunakan untuk mempelajari karakteristik dasar padatan dan fase materi lainnya yang memiliki geometri berulang. Kelemahan dari kisi-kisi ini, bagaimanapun, adalah bahwa mereka diam.

“Tanpa suara atau getaran, kita kehilangan tingkat kebebasan penting yang ada dalam materi nyata,” kata Benjamin Lev, profesor fisika terapan dan fisika, yang mengarahkan pandangannya pada masalah ini ketika dia pertama kali datang ke Stanford pada tahun 2011. ” Ini seperti membuat sup dan melupakan garam; itu benar-benar menghilangkan rasa dari ‘sup’ kuantum.”

Setelah satu dekade rekayasa dan benchmarking, Lev dan kolaborator dari Pennsylvania State University dan University of St. Andrews telah menghasilkan kisi optik atom pertama yang menggabungkan suara. Penelitian ini diterbitkan 11 November di Alam. Dengan merancang rongga yang sangat tepat yang menahan kisi di antara dua cermin yang sangat reflektif, para peneliti membuatnya sehingga atom dapat “melihat” diri mereka sendiri berulang ribuan kali melalui partikel cahaya, atau foton, yang memantul bolak-balik di antara cermin. Umpan balik ini menyebabkan foton berperilaku seperti fonon – blok bangunan suara.

“Jika memungkinkan untuk menempatkan telinga Anda ke kisi optik atom, Anda akan mendengar getarannya sekitar 1 kHz,” kata Lev.

Supersolid dengan suara

Eksperimen kisi optik sebelumnya adalah urusan diam karena mereka tidak memiliki elastisitas khusus dari sistem baru ini. Lev, mahasiswa pascasarjana muda Sarang Gopalakrishnan — sekarang asisten profesor fisika di Penn State dan rekan penulis makalah ini — dan Paul Goldbart (sekarang rektor Universitas Stony Brook) mengemukakan teori dasar untuk sistem ini. Tapi butuh kolaborasi dengan Jonathan Keeling — seorang pembaca di University of St. Andrews dan rekan penulis makalah ini — dan kerja bertahun-tahun untuk membangun perangkat yang sesuai.

Untuk membuat pengaturan ini, para peneliti mengisi rongga cermin kosong dengan gas kuantum rubidium yang sangat dingin. Dengan sendirinya, ini adalah superfluida, yang merupakan fase materi di mana atom dapat mengalir dalam pusaran tanpa hambatan. Ketika terkena cahaya, superfluida rubidium secara spontan menyusun ulang menjadi superfluidapadat — fase materi langka yang secara bersamaan menampilkan keteraturan yang terlihat dalam kristal dan fluiditas superfluida yang luar biasa.

Apa yang membawa suara ke rongga itu adalah dua cermin cekung yang ditempatkan dengan hati-hati yang sangat reflektif sehingga hanya ada sepersekian persen kemungkinan bahwa satu foton akan melewatinya. Reflektifitas dan geometri spesifik dari pengaturan — jari-jari cermin melengkung sama dengan jarak antara keduanya — menyebabkan foton yang dipompa ke dalam rongga melewati atom lebih dari 10.000 kali. Dalam melakukannya, foton membentuk ikatan erat khusus dengan atom, memaksa mereka untuk mengatur sebagai kisi.

“Rongga yang kami gunakan memberikan lebih banyak fleksibilitas dalam hal bentuk cahaya yang memantul bolak-balik di antara cermin,” kata Lev. “Seolah-olah, alih-alih hanya diizinkan membuat satu gelombang di palung air, Anda sekarang dapat memercikkan air untuk membuat pola gelombang apa pun.”

Rongga khusus ini memungkinkan kisi atom superfluida (superpadat) bergerak sehingga, tidak seperti kisi optik lainnya, kisi tersebut bebas terdistorsi saat ditusuk — dan hal itu menciptakan gelombang suara. Untuk memulai peluncuran fonon ini melalui kisi fleksibel, para peneliti menyodoknya menggunakan instrumen yang disebut modulator cahaya spasial, yang memungkinkan mereka memprogram pola yang berbeda dalam cahaya yang mereka masukkan ke dalam rongga.

Para peneliti menilai bagaimana ini mempengaruhi isi rongga dengan menangkap hologram cahaya yang keluar. Hologram merekam amplitudo dan fase gelombang cahaya, memungkinkan fonon untuk dicitrakan. Selain memediasi fisika yang menarik, kelengkungan cermin yang tinggi di dalam perangkat menghasilkan gambar beresolusi tinggi, seperti mikroskop, yang membuat para peneliti menamai ciptaan mereka sebagai “mikroskop gas kuantum aktif.”

Mahasiswa pascasarjana dan penulis utama Yudan Guo, yang menerima beasiswa Q-FARM untuk mendukung pekerjaan ini, memimpin upaya untuk mengkonfirmasi keberadaan fonon di perangkat, yang dilakukan dengan mengirimkan pola cahaya yang berbeda, mengukur apa yang keluar dan membandingkan bahwa untuk kurva dispersi Goldstone. Kurva ini menunjukkan bagaimana energi, termasuk suara, diharapkan bergerak melalui kristal; fakta bahwa temuan mereka cocok itu menegaskan keberadaan fonon dan keadaan superpadat yang bergetar.

Dua-of-a-kind

Ada banyak arah yang Lev berharap labnya — dan mungkin yang lain — akan mengambil penemuan ini, termasuk mempelajari fisika superkonduktor eksotis dan pembuatan jaringan saraf kuantum — itulah sebabnya tim sudah bekerja untuk membuat versi kedua. perangkat mereka.

“Buka buku teks kanonik fisika solid-state, dan Anda melihat sebagian besar berkaitan dengan fonon,” kata Lev. “Dan, sampai sekarang, kami tidak dapat mempelajari apa pun yang dibangun di atasnya dengan simulator kuantum yang menggunakan atom dan foton karena kami tidak dapat meniru bentuk dasar suara ini.”

Mahasiswa pascasarjana Stanford Ronen Kroeze dan Brendan Marsh juga merupakan rekan penulis penelitian ini. Lev juga merupakan anggota Ginzton Lab dan Stanford Bio-X. Penelitian ini didanai oleh Army Research Office, Q-FARM Graduate Student Fellowship dan National Science Foundation.

Posted By : togel hari ini hongkong yang keluar