在量子技術(shù)領(lǐng)域，精確控制物質(zhì)波至關(guān)重要。布拉格原子干涉儀，利用激光束操縱原子運(yùn)動(dòng)，是精密測(cè)量和量子模擬的強(qiáng)大工具。然而，它們的性能往往受到一種被稱為多普勒退相干的阻礙。最近發(fā)表在《科學(xué)》的論文深入探討了動(dòng)量交換相互作用的最新突破，這是一種利用集體原子相互作用的力量來(lái)抑制多普勒退相干的技術(shù)，為超靈敏干涉儀的新時(shí)代鋪平了道路。

布拉格原子干涉儀的核心是激光冷卻的原子云，它們的行為受量子力學(xué)的原理支配。這些原子表現(xiàn)出波粒二象性，既作為具有確定動(dòng)量的粒子，也作為具有特征波長(zhǎng)的波。干涉儀利用精確定時(shí)的激光脈沖來(lái)操縱這些物質(zhì)波，創(chuàng)建一系列的建設(shè)性和破壞性的干涉，以揭示有關(guān)原子性質(zhì)的信息。

然而，一個(gè)基本的挑戰(zhàn)困擾著這些干涉儀：多普勒退相干。當(dāng)云中的原子具有略微不同的速度時(shí)，它們會(huì)經(jīng)歷略微不同的激光相互作用，導(dǎo)致它們的物質(zhì)波逐漸失準(zhǔn)。這種退相干效應(yīng)使干涉模式變得模糊，最終限制了干涉儀的靈敏度和相干時(shí)間。

研究人員最近公布了一種革命性的方法——?jiǎng)恿拷粨Q相互作用。這種巧妙的技術(shù)利用了原子云的集體力量。以下是核心思想：想象兩個(gè)云中的原子，通過(guò)與共腔模式精心設(shè)計(jì)的相互作用，這些原子可以交換動(dòng)量狀態(tài)。一個(gè)原子從腔中吸收光子，獲得動(dòng)量，而另一個(gè)原子發(fā)射光子，失去動(dòng)量。這種交換相互作用有效地將原子結(jié)合在一起，同步了它們的速率，并最大限度地減少了單個(gè)速率變化的不利影響。

動(dòng)量交換相互作用的美麗之處不僅在于它們抑制多普勒退相干的能力。這種技術(shù)還導(dǎo)致了干涉儀內(nèi)“全對(duì)全伊辛型相互作用”的出現(xiàn)。想象原子是微小的磁鐵，它們的動(dòng)量代表它們的磁極。這種相互作用創(chuàng)造了一種場(chǎng)景，所有原子都傾向于將它們的動(dòng)量對(duì)準(zhǔn)相同的方向。這種集體行為導(dǎo)致了“多體能隙”，一種新的能態(tài)，進(jìn)一步增強(qiáng)了物質(zhì)波包的相干性。

動(dòng)量交換相互作用的概念在物理學(xué)的一個(gè)不同領(lǐng)域——穆斯堡爾光譜中找到了一個(gè)迷人的平行。在這種技術(shù)中，伽馬射線與固體晶格內(nèi)的原子相互作用。晶格的剛性結(jié)構(gòu)有效地抵消了原子吸收或發(fā)射伽馬射線時(shí)所經(jīng)歷的后坐力，導(dǎo)致更清晰的光譜線。同樣，干涉儀中的動(dòng)量交換相互作用就像原子的剛性“晶格”，抑制了單個(gè)多普勒頻移，導(dǎo)致了更精確的干涉模式。

動(dòng)量交換相互作用的出現(xiàn)為量子干涉儀的未來(lái)打開(kāi)了令人興奮的大門(mén)。通過(guò)抑制多普勒退相干的能力，研究人員可以實(shí)現(xiàn)慣性感測(cè)和引力波探測(cè)等測(cè)量方面的空前靈敏度。此外，動(dòng)量交換相互作用的可調(diào)性允許探索奇特的量子現(xiàn)象，例如模擬超導(dǎo)體以及探索動(dòng)力規(guī)范場(chǎng)。