Иллюстрация: Zoe Z. Yan et al. / Physical Review Letters. Группа американских физиков разработали абсолютно новый инновационный экспериментальный подход к полноценному созданию двумерных структур из холодных атомов произвольной конфигурации. Данный новый метод опирается на использование стробоскопических очень мощных оптических пинцетов, формируемых двумя скрещенными акустооптическими модуляторами. Исследователи продемонстрировали, что комбинация данного подхода с методом разделения атомов по спинам открывает широкие возможности для реализации различных моделей квантового транспорта. Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Physical Review Letters. Идея о том, что неоднородность светового поля может оказывать градиентную силу на микроскопические объекты, привела к созданию оптического пинцета, удостоенного Нобелевской премии. Принцип действия optical tweezer основан на том, что распределение интенсивности сфокусированного лазерного луча имеет максимум.
Тогда атом, попавший в окрестность этого максимума, может оказаться плененным. Интерес, однако, представляют массивы атомов. Их можно создавать, формируя массив оптических пинцетов, то есть фокусируя несколько непараллельных лучей в семейство точек. Другой подход к той же задаче основан на интерференции встречных лазерных пучков, выраженной в пучностях и узлах стоячей волны. Второй способ обеспечивает однородность условий, в которых находятся атомы, но не допускает формирование более сложных геометрий. Последнее особенно важно для задач квантового транспорта в нетривиальной топологии. И хотя оптические пинцеты позволяют формировать такие условия, существующие методы страдают от трудностей с масштабированием и перестройкой.
Группа американских физиков при участии Васима Бакра (Waseem Bakr) из Принстонского университета предложили метод решения второй проблемы. Он основан на стробоскопических оптических пинцетах, которые формируются построчно в нужной конфигурации с некоторой частотой. Авторы показали, что в комбинации с техникой спин-разделения атомов и постселекции новый метод позволяет создавать низкоэнтропийные атомные массивы с одним спином на узел.
Идея нового подхода основана на пропускании лазерного луча через два скрещенных акустооптических модулятора. В этих устройствах создается стоячая ультразвуковая волна, которая служит дифракционной решеткой для падающего света. Меняя параметры звуковой волны, физики могут изменять число лучей, на которые разбивается входящий световой пучок, и их направления. Программируя правильным образом работу модуляторов, авторы добились режима построчной развертки массива пинцетов.
Ученые загружали в заранее спроектированные массивы пинцетов атомы лития-6, охлажденные ниже температуры Ферми. Длина волны лазера составляла 780 нанометров, а область перетяжки имела размер, примерно равный одному микрометру. Частотное разделение модуляторов в восемь мегагерц соответствовало дистанции между соседними пинцетами в 1350 нанометров. Диаметр апертуры и ширина полосы ограничивали размер массива девятью пинцетами в каждом направлении.
Каждый атом, захваченный в такой стробоскопический пинцет, испытывает короткое периодическое воздействие лазерного света. Чтобы удержание таким способом оставалось эффективно, частота развертки должна существенно превышать частоту гармонического колебания атома в ловушке, которая составляет порядка 2,5 килогерц. Физики экспериментально убедились, что при выполнении этого условия, то есть при частотах развертки, превышающий 200 килогерц, время жизни атомов в стробоскопических пинцетах приближается к таковому в статичном пинцете. Таким способом авторы смогли построить различные геометрии массивов: квадратную решетку 5×5, решетку Либа из 21 атома, треугольную решетку 4×5 и кольцо из 8 атомов. Для визуализации атомов они использовали флуоресценцию, сопровождающую рамановское охлаждение боковой полосы.
Фотографии атомных массивов различных геометрий. Верхний ряд соответствует одиночному снимку, нижний – усреднению по их большому числу. Zoe Z. Yan et al. / Physical Review Letters
Для улучшения качества получающихся решеток крайне желательно заселять их из расчета один атом на узел, причем спины всех атомов должны быть ориентированы одинаково. Чтобы этого добиться, физики подхватывали атомный массив оптической решеткой, после чего накладывали градиент магнитного поля. Эффект Штерна — Герлаха разносил атомы с разной компонентой спина на девять микрометров, а дополнительные плоские оптические потенциалы стабилизировали разделенные массивы.
Используя эту технику, ученые реализовали двумерную модель Ферми — Хаббарда, описывающую туннелирование квантовых частиц по периодическому пространству, для небольшой решетки 2×2. Измерение спиновых корреляций вместе с постселекцией конечных состояний оказалось в хорошем согласии с симуляциями, продемонстрировав, что созданная система обладает близкой к нулю энтропией. В будущем физики рассчитывают масштабировать модель, а также реализовать квантовый транспорт в более сложных геометриях.
Ранее мы рассказывали, как другая группа американских физиков реализовала модель Хаббарда для атомов стронция-88 в двумерной оптической решетке. Таким способом ученые исследовали квантовые блуждания, которые оказались полезны для квантового поиска с оракулом.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
