研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响

研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响 正电子冷却。欧洲核子研究中心的 AEgIS 合作小组在实验中演示了使用基于变石的激光系统对正电子进行激光冷却。资料来源：欧洲核子研究中心-米兰理工大学研究人员成功冷却了正电子原子，对反物质研究产生了重大影响，并促成了量子电动力学的新实验和反物质玻色-爱因斯坦凝聚物的可能性。被正电子束击中的多孔靶（室温）中流出的 Ps 原子的等效温度从 380 K 降至 170 K，相应地，Ps 均方根速度的横向分量也从 54 km/s 降至 37 km/s。正电子的独特性质Ps 是氢的小兄弟，正电子取代了质子。因此，它比氢轻约 2000 倍，能级降低了 2 倍。它很不稳定：在真空和基态下，两个粒子的自旋平行，它的湮灭寿命只有 142 毫微秒。在其短暂的生命周期内，必须进行 Ps 冷却，这使得这一过程相对于普通原子而言极具挑战性。使用大带宽脉冲激光器的好处是可以冷却大部分正电子云，同时延长它们的有效寿命，从而在冷却后获得更多的 Ps 供进一步实验使用。对反物质研究的影响AEgIS 实验的目的是测量反氢气的重力加速度（作为反物质弱等价原理的测试），在该实验中，最后一个加速度是通过处于激发态的 Ps 与被困反质子之间的反应获得的。Ps的速度越低，形成反氢的概率就越高，因此必须尽可能产生动能最低的Ps。推进基础科学和潜在应用获得足够"冷"的 Ps 原子对基础科学至关重要，例如，对 Ps 激发能级进行精密光谱分析，可以前所未有的精度测试量子电动力学，或用纯轻子系统测试等效原理。此外，建立一个冷铂原子集合体的可能性可以为第一个反物质玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC，已通过激光冷却普通原子获得）铺平道路，在这种状态下，量子力学现象会宏观地显现出来。正电子玻色-爱因斯坦凝聚态将导致受激湮灭，这已被提议作为产生伽马射线能量范围内的相干电磁辐射的一种方法。该成果已作为编辑亮点发表在《物理评论快报》上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

ETH研究人员利用静态电场和磁场成功捕获离子 并用其进行量子运算

ETH研究人员利用静态电场和磁场成功捕获离子 并用其进行量子运算 在离子阱中使用振荡电磁场限制了量子计算机目前可实现的量子比特数量。现在，苏黎世联邦理工大学的研究人员在一个微加工芯片上制造出了一个离子阱，只使用静态场电场和磁场就能在其中进行量子运算。在这种阱中，离子可以向任意方向传输，一个芯片上可以安装多个这样的阱。ETH 研究人员的实验装置。阱芯片位于银色穹顶下方的容器内，其中的透镜可以捕捉到被困离子发出的光。图片来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学 / Pavel Hrmo原子中电子的能量状态遵循量子力学定律：它们不是连续分布的，而是被限制在某些定义明确的值中这也被称为量子化。这种量子化状态是量子比特（qubit）的基础，科学家们希望用它来制造极其强大的量子计算机。为此，原子必须冷却并被困在一个地方。强捕获可以通过电离原子来实现，也就是给原子带上电荷。然而，电磁学的一个基本定律指出，时间恒定的电场无法捕获单个带电粒子。另一方面，通过加入一个振荡电磁场，就可以得到一个稳定的离子阱，也称为保罗阱。通过这种方法，近年来已经可以用离子阱制造出包含约 30 个量子比特的量子计算机。然而，这种技术无法直接实现更大的量子计算机。振荡场使得很难在单个芯片上组合多个这样的阱，而且使用振荡场会使阱发热系统越大，问题越严重。同时，离子的传输仅限于沿着交叉连接的线性部分通过。在二维平面上移动单个受困离子并用激光束照射，研究人员就能制作出 ETH 的标志。图像是通过多次重复传输序列的平均值形成的。资料来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学/量子电子研究所带磁场的离子阱由乔纳森-霍姆（Jonathan Home）领导的苏黎世苏黎世联邦理工大学研究小组现已证明，适合量子计算机使用的离子阱也可以使用静态磁场而不是振荡磁场来构建。在这些带有额外磁场的静态阱（称为潘宁阱）中，未来超级计算机的任意传输和必要操作都得以实现。研究人员最近在科学杂志《自然》上发表了他们的研究成果。博士生 Shreyans Jain 说："传统上，当人们想要俘获非常多的离子进行精密实验时，就会使用潘宁陷阱，但无需对它们进行单独控制，相比之下，在基于离子的小型量子计算机中，则使用保罗陷阱。"苏黎世联邦理工大学的研究人员提出的利用潘宁陷阱制造未来量子计算机的想法最初遭到了同事们的质疑。原因有很多：潘宁陷阱需要极强的磁铁，而磁铁非常昂贵且体积庞大。此外，以前实现的潘宁陷阱都非常对称，而 ETH 使用的芯片级结构却违反了这一点。将实验置于大型磁铁中，很难引导控制量子比特所需的激光束进入陷阱，而强磁场会增加量子比特能态之间的间距。这反过来又使控制激光系统变得更加复杂：不再需要一个简单的二极管激光器，而是需要几个锁相激光器。使用过的潘宁阱中间部分示意图。通过不同电极（黄色）产生的电场和磁场的组合，离子（红色）被俘获。资料来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学/量子电子学研究所任意方向的传输然而，霍姆和他的合作者们并没有被这些困难吓倒，他们在布伦瑞克物理技术苏黎世联邦理工大学（Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig）制造的超导磁体和带有多个电极的微加工芯片的基础上，建造了一个潘宁陷阱。使用的磁铁能提供 3 特斯拉的磁场，比地球磁场强近 10 万倍。苏黎世的研究人员利用低温冷却镜系统，成功地将必要的激光穿过磁铁照射到离子上。它们的努力终于有了回报：一个被捕获的离子可以在捕获器中停留数天，现在可以在芯片上任意移动，通过控制不同的电极"如飞"连接各点这是以前基于振荡场的旧方法无法实现的。由于诱捕不需要振荡场，因此可以在一块芯片上安装许多诱捕器。作为博士生参与实验的托比亚斯-赛格瑟（Tobias Sägesser）说："一旦充好电，我们甚至可以将电极与外界完全隔离，从而研究离子受外界影响的干扰程度。"质子的相干控制研究人员还证明，在保持量子力学叠加的同时，还可以控制被困离子的量子比特能态。相干控制既适用于离子的电子（内部）状态和（外部）量子化振荡状态，也适用于内部和外部量子态的耦合。后者是产生纠缠态的先决条件，而纠缠态对量子计算机非常重要。下一步，霍姆希望在同一芯片上的相邻潘宁陷阱中俘获两个离子，从而证明也可以进行多个量子比特的量子操作。这将是利用潘宁陷阱中的离子实现量子计算机的最终证明。教授还考虑了其他应用。例如，由于新陷阱中的离子可以灵活移动，它们可以用来探测表面附近的电场、磁场或微波场。这就为利用这些系统作为表面特性的原子传感器提供了可能性。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员在THz级别拍摄到了极速电子电路的运行过程

研究人员在THz级别拍摄到了极速电子电路的运行过程 利用飞秒电子束检测超快电子器件的新型检测工具的艺术图片。图片来源：Mikhail Volkov 博士 Mikhail Volkov 博士编辑虽然现有的电子设备通常在千兆赫（GHz）范围内工作，但电子学的前沿正在向毫米波推进，高速晶体管、混合光子平台和太赫兹（THz）元器件的首批原型已开始在电子和光学领域架起桥梁。然而，由于现有诊断工具的局限性，特别是在速度和空间分辨率方面的局限性，对这些设备进行表征和诊断是一项重大挑战。如果一个突破性的设备是同类产品中速度最快、体积最小的，该如何对其进行测量呢？针对这一挑战，康斯坦茨大学的一个研究小组提出了一个创新解决方案： 他们在透射电子显微镜中产生飞秒电子脉冲，用红外激光将其压缩到 80 飞秒，并借助光电导开关使其与激光触发电子传输线的内场同步。然后，研究人员利用泵浦探针方法，直接感知电子设备中的局部电磁场与空间和时间的函数关系。这种新型超快电子束探针可在正常工作条件下提供飞秒级、纳米级和毫伏级分辨率，即不影响器件的原位运行。只需减薄基底材料，使其对电子束透明即可。飞秒电子束探针方法为下一代电子器件的研究和开发开辟了新的领域，因为现在的诊断分辨率原则上只受显微镜中电子的德布罗格利波长和用于全光学电子脉冲压缩的红外激光周期的限制。有了这样的分辨率，新工具为未来的电子电路提供了前所未有的洞察力，并能指导其设计实现新的应用。新概念的多功能性以及与半导体行业现有电子束检测设备的无缝集成，使其成为推动超快电子技术向未知能力发展的重要资产。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度 麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达 50 纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距 500 纳米的位置这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为 50 纳米。一个红血球的宽度约为 1000 纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在 50 纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔 500 纳米的两层原子的 1000 倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（Wolfgang Ketterle）说："我们已经把原子的间距从 500 纳米提高到 50 纳米，可以利用这一点做很多事情。在 50 纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在 500 纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于 500 纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云在这种情况下，冷却到大约 1 微开尔文，仅比绝对零度高出一线此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为 500 纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到 50 纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的 50 纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在 500 纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到 50 纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了 50 纳米这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距 500 纳米的原子强 1000 倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员解决了量子信息传输的基础问题：在超小范围内构建通信能力

研究人员解决了量子信息传输的基础问题：在超小范围内构建通信能力 东京大学工业科学研究所的研究人员解决了量子信息传输中的一个基础性问题，这将极大地提高集成电路和量子计算的实用性。资料来源：东京大学工业科学研究所现在，在最近发表于《物理评论快报》上的一项研究中，东京大学工业科学研究所的研究人员正在解决这个问题：他们开发了一种新技术，可以在几十到一百微米的范围内传输量子信息。这一进展可以改善即将问世的量子电子产品的功能。研究人员如何在同一量子计算机芯片上将量子信息从一个量子点传输到另一个量子点？一种方法可能是将电子（物质）信息转换成光（电磁波）信息：通过产生光-物质混合态。之前的工作与量子信息处理的单电子需求不符。改进高速量子信息传输方式，使其在设计上更加灵活，并与现有的半导体制造工具兼容，是研究小组的研究目标。"在我们的工作中，我们将量子点中的几个电子耦合到一个称为太赫兹分环谐振器的电路中，"该研究的第一作者黑山和之解释说。"这种设计非常简单，适合大规模集成。"以往的工作都是基于谐振器与数千到数万个电子集合的耦合。事实上，耦合强度是基于这个电子群的大尺寸。相比之下，本系统只限制了几个电子，适合量子信息处理。然而，电子和太赫兹电磁波都被限制在一个超小区域内。因此，耦合强度与多电子系统相当。资深作者 Kazuhiko Hirakawa 说："我们很兴奋，因为我们利用先进纳米技术中普遍存在的结构这些结构通常被集成到半导体制造中来帮助解决一个实际的量子信息传输问题。我们还期待着将我们的发现应用于理解光电子耦合态的基础物理学。"这项工作在解决之前量子信息传输中的一个棘手问题上迈出了重要一步，因为该问题限制了实验室研究成果的应用。此外，这种光物质相互转换被认为是基于半导体量子点的大规模量子计算机的基本架构之一。由于研究人员的成果是基于半导体制造中常见的材料和程序，因此实际应用应该很简单。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员实现石墨烯中惰性气体簇的首次成像

研究人员实现石墨烯中惰性气体簇的首次成像 两个石墨烯层之间的氙纳米团簇，大小在两个到十个原子之间。图片来源：Manuel Längle维也纳大学的科学家与赫尔辛基大学的同事合作取得了这一突破，其关键在于将惰性气体原子限制在两层石墨烯之间。这种方法克服了惰性气体在常温实验条件下无法形成稳定结构的难题。该方法的细节和有史以来第一张惰性气体（氪和氙）结构的电子显微镜图像现已发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。惰性气体陷阱维也纳大学的亚尼-科塔科斯基（Jani Kotakoski）研究小组在研究如何利用离子辐照来改变石墨烯和其他二维材料的特性时，发现了一些不同寻常的现象：当使用惰性气体进行辐照时，它们会被困在两片石墨烯之间。当惰性气体离子的速度足以穿过第一层石墨烯而不是第二层石墨烯时，就会发生这种情况。一旦被困在两层石墨烯之间，惰性气体就可以自由移动。这是因为它们不会形成化学键。然而，为了容纳惰性气体原子，石墨烯会弯曲形成微小的口袋。在这里，两个或更多的惰性气体原子可以相遇并形成规则、密集的二维惰性气体纳米簇。显微镜带来的乐趣"我们使用扫描透射电子显微镜来观察这些簇，它们真的非常迷人，非常有趣。当我们对它们进行成像时，它们会旋转、跳跃、生长和缩小"，该研究的第一作者曼努埃尔-莱恩格尔（Manuel Längle）说。"获取层间原子是这项工作最难的部分。现在我们已经做到了这一点，我们有了一个简单的系统来研究与材料生长和行为有关的基本过程。"在谈到研究小组未来的工作时，亚尼-科塔科斯基（Jani Kotakoski）说："下一步工作是研究含有不同惰性气体的簇合物的特性，以及它们在低温和高温下的行为。由于惰性气体在光源和激光器中的应用，这些新结构将来可能会应用于量子信息技术等领域。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：