由于原子的反沖作用，精確測量單個原子的能量狀態一直是物理學家面臨的歷史性挑戰。當原子與光子相互作用時，原子會向相反方向“反沖”，這使得精確測量原子的位置和動量變得困難。這種反沖對量子傳感有著重大影響，量子傳感可以檢測參數的微小變化，例如利用引力波的變化來確定地球的形狀，甚至探測暗物質。

在 《科學》雜志上發表的一篇新論文中， JILA 和 NIST 研究員 Ana Maria Rey 和 James Thompson、JILA 研究員 Murray Holland 及其團隊提出了一種克服原子反沖的方法，即展示一種稱為動量交換相互作用的新型原子相互作用，其中原子通過交換相應的光子來交換動量。

研究人員利用一個腔體(由鏡子組成的封閉空間)觀察到，原子的反沖力被封閉空間內原子交換能態所減弱。這一過程產生了能量的集體吸收，并將反沖力分散到整個粒子群中。

有了這些結果，其他研究人員可以在各種實驗中設計腔體來減弱反沖和其他外部效應，這可以幫助物理學家更好地理解復雜系統或發現量子物理的新方面。改進的腔體設計還可以實現更精確的超導模擬，例如在玻色-愛因斯坦凝聚態-巴丁-庫珀-施里夫特 (BEC-BCS) 交叉或高能物理系統的情況下。

首次觀察到動量交換相互作用在原子動量態之間誘發單軸扭曲 (OAT) 動力學，這是量子糾纏的一個方面。OAT 就像一條量子辮子，可以糾纏不同的分子，因為每個量子態都會扭曲并連接到另一個粒子。

此前，OAT 僅出現在原子內部狀態中，但現在有了這些新結果，人們認為動量交換引起的 OAT 有助于減少來自多個原子的量子噪聲。能夠糾纏動量狀態還可以改善量子傳感器的一些物理測量，例如引力波。

利用密度光柵

在這項新研究中，受到湯普森和他的團隊先前研究的啟發，研究人員檢查了量子疊加的效應，這使得光子或電子等粒子可以同時存在于多種量子態中。

“在這個(新)項目中，所有原子都共享相同的自旋標簽;唯一的區別是每個原子都處于兩種動量態的疊加狀態，”研究生兼第一作者羅成毅解釋道。

研究人員發現，通過迫使原子交換光子及其相關能量，他們可以更好地控制原子的反沖。類似于躲避球游戲，一個原子可以“扔”一個“躲避球”(一個光子)并向相反方向反沖。該“躲避球”可能被第二個原子接住，這會給第二個原子造成相同大小的反沖。這會抵消兩個原子所經歷的兩次反沖，并在整個腔系統中取平均值。

當兩個原子交換不同的光子能量時，所產生的波包(一個原子的波分布)會疊加形成一個動量圖，稱為密度光柵，看起來像一把細齒梳子。

羅補充道：“密度光柵的形成表明[原子內的]兩個動量狀態是‘相干’的，因此它們可以[相互]干擾。”研究人員發現，原子之間的光子交換導致兩個原子的波包結合，因此它們不再是單獨的測量值。

研究人員可以通過探索密度光柵和光學腔之間的相互作用來誘導動量交換。由于原子交換能量，吸收光子產生的任何反沖都會分散到整個原子群中，而不是單個粒子中。

抑制多普勒頻移

利用這種新的控制方法，研究人員發現他們還可以使用這種后坐力衰減系統來幫助緩解一個單獨的測量問題：多普勒頻移。

多普勒頻移是古典物理學中的一種現象，它解釋了為什么警報器或火車喇叭的聲音在經過聽眾時會改變音調，或者為什么某些星星在夜空圖像中呈現紅色或藍色——這是當源和觀察者彼此靠近(或遠離)時波的頻率發生變化。在量子物理學中，多普勒頻移描述了粒子由于相對運動而產生的能量變化。

對于像羅這樣的研究人員來說，多普勒頻移是獲得精確測量結果的一大挑戰。“當吸收光子時，原子的反沖會導致光子頻率發生多普勒頻移，這對于精密光譜學來說是一個大問題，”他詳細闡述道。通過模擬他們的新方法，研究人員發現它可以克服多普勒頻移導致的測量偏差。