為了更真實地模擬材料的量子特性，研究人員已經想出了一種方法來創造一個可以振動的原子光學晶格–為一個原本無聲的實驗帶來聲音。
當聲音在20世紀20年代首次被納入電影時，它為電影製作者帶來了新的可能性，如音樂和口語對話。物理學家們可能即將迎來一場類似的革命，這要歸功於斯坦福大學開發的一個新設備，它有望為以前無聲的量子科學實驗帶來聲音。
特別是，它可以為一種常見的量子科學裝置帶來聲音，這種裝置被稱為光學晶格，它使用縱橫交錯的激光束網，以一種類似於晶體的方式有序地排列原子。這種工具通常被用來研究固體和其他具有重複幾何形狀的物質階段的基本特徵。然而，這些晶格的一個缺點是它們是無聲的。
應用物理學和物理學副教授Benjamin Lev說：“如果沒有聲音或振動，我們就會錯過存在於真實材料中的一個關鍵自由度，”他在2011年第一次來到斯坦福大學時就把目光投向了這個問題。“這就像做湯時忘了放鹽，它真的會讓量子‘湯’的味道消失。”
經過十年的工程和基準測試，Lev和來自賓夕法尼亞州立大學和聖安德魯斯大學的合作者已經製造出第一個包含聲音的原子光學晶格。這項研究於11月10日發表在《自然》雜誌上。通過設計一個非常精確的腔體，將晶格置於兩面高度反射的鏡子之間，研究人員使原子能夠通過在鏡子之間來回反彈的光子，“看到”自己重複成千上萬次。這種反饋使光子的行為類似於聲子–聲音的構建塊。
Lev說：”如果有可能把你的耳朵放在原子光學晶格上，你會聽到它們在1千赫茲左右的振動。
有聲的超固體
以前的光學晶格實驗是無聲的，因為它們缺乏這個新系統的特殊彈性。Lev、年輕的研究生Sarang Gopalakrishnan（現在是賓夕法尼亞州立大學的物理學助理教授和論文的共同作者）和Paul Goldbart（現在是石溪大學的教務長）提出了這個系統的基礎理論。但在與聖安德魯斯大學的讀者、論文的共同作者Jonathan Keelin的合作下，經過多年的努力才建立了相應的裝置。
為了創建這個裝置，研究人員在一個空的鏡面腔內填充了超冷的銣原子量子氣體。就其本身而言，這是一種超流體，是物質的一個階段，其中原子可以無阻力地旋轉流動。當暴露在光線下時，銣的超流體會自發地重新排列成超固體–這是一種罕見的物質相，同時顯示出晶體中的秩序和超流體的非凡流動性。
為空腔帶來聲音的是兩面精心間隔的凹面鏡，它們的反射率非常高，以至於有百分之一的機會讓一個光子通過它們。這種反射率和設置的特定幾何形狀–彎曲的鏡子的半徑等於它們之間的距離–導致泵入空腔的光子經過原子1萬次以上。在這樣做的過程中，光子與原子形成一種特殊的緊密結合，迫使它們排列成一個晶格。
“我們使用的腔體在鏡子之間來回反彈的光的形狀方面提供了更大的靈活性，”Lev說。”這就好像，不是只允許在水槽中製造一個單一的波浪，而是現在你可以隨意潑灑，製造任何種類的波紋。”
這種特殊的腔體允許超流體原子晶格（超固體）移動，因此，與其他光學晶格不同，當被戳中時，它可以自由變形–這就產生了聲波。為了啟動這種通過柔性晶格的聲子發射，研究人員使用一種被稱為空間光調製器的儀器來戳它，這使他們能夠在注入空腔的光線中編製不同的模式。
研究人員通過捕捉射出的光的全息圖來評估這對空腔內容的影響。全息圖同時記錄了光波的振幅和相位，允許對聲子進行成像。除了調解有趣的物理學，該設備內的鏡子的高曲率產生了一個高分辨率的圖像，就像一個顯微鏡，這使得研究人員將他們的創造命名為 “主動量子氣體顯微鏡”。
獲得Q-FARM獎學金以支持這項工作的研究生和主要作者Yudan Guo領導了確認該設備中聲子存在的努力，這是通過發送不同模式的光，測量出來的東西並將其與戈德斯通色散曲線進行比較來完成的。該曲線顯示了包括聲音在內的能量如何在晶體中移動；他們的發現與該曲線相匹配，這證實了聲子和振動超固態的存在。
獨一無二的
Lev希望他的實驗室–或許還有其他人–能將這一發明推向許多方向，包括研究奇異超導體的物理學和創建量子神經網絡–這就是為什麼該團隊已經在努力創建他們設備的第二個版本。
Lev說：“打開一本典型的固態物理學教科書，你會看到很大一部分與聲子有關。而且，直到現在，我們還不能用採用原子和光子的量子模擬器研究任何建立在此基礎上的東西，因為我們不能模擬這種基本的聲音形式。”