邻近性是许多量子现象的关键，因为当粒子靠近时，原子之间的相互作用更强。在许多量子模拟器中，科学家将原子尽可能紧密地排列在一起，以探索奇异的物质状态并构建新的量子材料。
他们通常通过将原子冷却至静止状态，然后使用激光将粒子定位为相距近500纳米(这是由光的波长设定的限制)来实现这一点。现在，麻省理工学院的物理学家已经开发出一种技术，可以让他们将原子排列得更接近，小至仅50纳米。作为上下文，红细胞的宽度约为1,000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。他们使用新方法操纵两层镝原子，并将各层精确定位在50纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用比层间隔500纳米时强1,000倍。
科学家们能够测量到原子接近引起的两种新效应。它们增强的磁力导致“热化”，即热量从一层转移到另一层，以及层之间的同步振荡。随着各层之间的距离越来越远，这些效应逐渐消失。
麻省理工学院物理学教授沃尔夫冈·凯特勒(WolfgangKetterle)表示：“我们已经将原子间隔从500纳米提高到了50纳米，你可以用它做很多事情。”“在50纳米处，原子的行为有很大不同，我们真的进入了一个新的状态。”
凯特尔和他的同事表示，这种新方法可以应用于许多其他原子来研究量子现象。就他们而言，该小组计划使用该技术将原子操纵成可以生成第一个纯磁性量子门的配置，这是新型量子计算机的关键构建模块。
该研究的共同作者包括主要作者和物理学研究生杜立，以及皮埃尔·巴拉尔、迈克尔·坎塔拉、朱利叶斯·德洪德和卢玉坤，他们都是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心、物理系、以及麻省理工学院的电子研究实验室。
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的温度，然后使用激光束系统将原子限制在光陷阱中。
激光是具有特定波长(电场最大值之间的距离)和频率的电磁波。波长将光可成形的最小图案限制为通常为500纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子被特定频率的激光吸引，原子将位于激光强度峰值的点。因此，现有技术在将原子粒子定位的距离上受到限制，并且无法用于探索在更短距离内发生的现象。
“传统技术仅限于500纳米，限制的不是原子而是光的波长，”Ketterle解释道。“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技术一样，首先将原子云冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零高一点点，此时原子几乎处于静止状态。然后，物理学家可以使用激光将冷冻颗粒移动到所需的结构。
然后，杜和他的合作者使用两束激光束，每束激光束具有不同的频率或颜色;和圆偏振，或激光电场的方向。当两束光束穿过超冷原子云时，原子可以按照两束激光中任意一个的偏振方向，将其自旋定向到相反的方向。结果是光束产生两组相同的原子，只是自旋相反。
每束激光束形成驻波，即空间周期为500纳米的电场强度周期性图案。由于它们的偏振不同，每个驻波根据自旋吸引并聚集两组原子中的一组。这些激光器可以重叠并调谐，使它们各自的峰值之间的距离小至50纳米，这意味着吸引到每个各自激光器峰值的原子将分开同样的50纳米。
但为了实现这一点，激光器必须非常稳定，并且不受所有外部噪音的影响，例如实验中的摇晃甚至呼吸。研究小组意识到，他们可以通过光纤引导两个激光器来稳定它们，光纤可以将光束锁定在相对应的位置。
“通过光纤发送两束激光的想法意味着整个机器可能会剧烈晃动，但两束激光束相对于彼此保持绝对稳定，”杜说。
作为新技术的首次测试，该团队使用了镝原子——一种稀土金属，是元素周期表中磁性最强的元素之一，特别是在超冷温度下。然而，在原子尺度上，即使在500纳米的距离内，元素的磁相互作用也相对较弱。
与常见的冰箱磁铁一样，原子之间的磁性吸引力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够将镝原子间隔近至50纳米，他们可能会观察到磁性原子之间出现的微弱相互作用。
“我们可能会突然产生磁相互作用，这种相互作用过去几乎可以忽略不计，但现在非常强，”凯特尔说。
该团队将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷，然后通过两束激光将原子分裂成两个自旋基团或层。然后，他们通过光纤引导激光以稳定它们，并发现两层镝原子确实被吸引到各自的激光峰，这实际上将原子层分开了50纳米——这是任何超冷原子的最近距离。实验已经能够实现。
在如此接近的距离下，原子的自然磁相互作用显着增强，比相距500纳米时强1,000倍。研究小组观察到，这些相互作用导致了两种新颖的量子现象：集体振荡，其中一层的振动导致另一层同步振动;热化，其中一层纯粹通过原子中的磁波动将热量传递到另一层。
“到目前为止，原子之间的热量只能在它们处于同一物理空间并且可以碰撞时才能交换，”杜指出。“现在我们看到了被真空分隔的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。”
该团队的研究结果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子紧密地定位。他们还表明，放置得足够近的原子可以表现出有趣的量子现象，这些现象可以用来构建新的量子材料，以及潜在的用于量子计算机的磁驱动原子系统。
“我们确实将超分辨率方法引入了该领域，它将成为进行量子模拟的通用工具，”凯特尔说。“有很多可能的变体，我们正在研究。”