Передача сигналов на атомном уровне

В исследовании по транспорту атомов в ультрахолодных газах группа физиков во главе с д-ром Сандро Вимбергером (Sandro Wimberger) разработала новый подход к тому, как сигналы могут быть переданы на атомном уровне. Это может быть особенно важным для реализации логических структур со строго определенными функциями на основе отдельных атомов, что, в свою очередь, может найти применение в транзисторах или диодах. Научно-исследовательская работа в инновационной области атомтроники проводится в Институте теоретической физики Гейдельбергского университета. Исследователи пытаются достичь фундаментального понимания квантовомеханических эффектов, сравнимого с традиционной электроникой.

Новые экспериментальные методы позволяют осуществлять целевой контроль ультрахолодных атомных газов и, следовательно, конструирование методом снизу вверх и изучение логических компонентов. Рабочая группа д-ра Вимбергера изучает транспорт отдельных атомов через цепочку так называемых потенциальных ям. В этих экспериментах атомы ведут себя согласованно, то есть они следуют одному и тому же фиксированному правилу при динамическом транспорте. В этом случае их поведение полностью квантовомеханическое по всей цепочке потенциальных ям. Д-р Вимбергер добавляет, что в то же время, однако, различные атомы взаимодействуют друг с другом, что может повлиять на транспортировку от одной ямы к другой.

Принцип аналогичен потоку электронов в твердом теле, к которому приложено электрическое напряжение. В этом случае ученые Гейдельберга работали с атомами-бозонами из потенциальной ямы с более высокой энергией в сочетании с решеткой потенциальных ям. Через цепь решетки отдельные бозоны текут от потенциальной ямы с большей энергией к яме с меньшей, образуя ток частиц. «Атомный ток зависит от свойств потенциальной ямы, но особенно – от взаимодействия атомов», - сказал Антон Иванов, ведущий автор исследования и бывший член рабочей группы д-ра Вимбергера. Если взаимодействие слабое, атомный ток прямо пропорционален разнице в числе частиц между двумя потенциальными ямами. Таким образом, он линейно растет с увеличением разницы в числе частиц, которая является аналогом напряжения в электрической цепи. Если их взаимодействие сильное, атомы рассеиваются и блокируют ток вплоть до полной остановки.

В своей работе исследователи из Гейдельберга использовали аналитический подход, который в значительной степени подтверждался с помощью численных расчетов.

Схематическое изображение транспорта холодных атомов (синие точки) из левой потенциальной ямы в правую через цепочку потенциальных ям. Для простоты показаны только два атома. Здесь γ описывает показатель отражения частиц из и в для двух резервуаров, J – скорость транспорта между ямами и U - взаимодействие между частицами