|
Путь для изучения экзотических состояний материи
|
|
|
|
Близость является ключом ко многим квантовым явлениям, поскольку взаимодействия между атомами усиливаются, когда частицы находятся близко. Во многих квантовых симуляторах ученые располагают атомы как можно ближе друг к другу, чтобы исследовать экзотические состояния материи и создавать новые квантовые материалы. Обычно они делают это, охлаждая атомы до состояния покоя, а затем с помощью лазерного излучения размещают частицы на расстоянии до 500 нанометров друг от друга — предел, который определяется длиной волны света. Теперь физики Массачусетского технологического института разработали технологию, которая позволяет им располагать атомы на гораздо более близком расстоянии, всего лишь до 50 нанометров. Для сравнения, ширина эритроцита составляет около 1000 нанометров. Физики продемонстрировали новый подход в экспериментах с диспрозием, который является самым магнитным атомом в природе. Они использовали новый подход для манипулирования двумя слоями атомов диспрозия и расположили слои точно на расстоянии 50 нанометров друг от друга. При такой предельной близости магнитные взаимодействия были в 1000 раз сильнее, чем если бы слои были разделены 500 нанометрами.
|
|
|
|
Статья, описывающая эту работу, опубликована в журнале Science. Ученым удалось измерить два новых эффекта, вызванных близостью атомов. Их повышенные магнитные силы вызвали "термализацию", или передачу тепла от одного слоя к другому, а также синхронизированные колебания между слоями. Эти эффекты ослабевали по мере удаления слоев друг от друга. "Мы перешли от расположения атомов на расстоянии 500 нанометров к расстоянию 50 нанометров друг от друга, и с помощью этого можно многое сделать", - говорит Вольфганг Кеттерле, профессор физики Массачусетского технологического института имени Джона Д. Макартура. "На расстоянии 50 нанометров поведение атомов настолько сильно отличается, что мы действительно переходим к новому режиму". Кеттерле и его коллеги говорят, что новый подход может быть применен ко многим другим атомам для изучения квантовых явлений. Со своей стороны, группа планирует использовать этот метод для создания конфигураций атомов, которые могли бы создать первые чисто магнитные квантовые ворота — ключевой элемент для квантового компьютера нового типа.
|
|
|
Соавторами исследования являются ведущий автор и аспирант-физик Ли Ду, а также Пьер Барраль, Майкл Кантара, Джулиус де Хонд и Ю—Кун Лу - все они являются сотрудниками Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института, физического факультета и исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института. Чтобы манипулировать атомами и упорядочивать их, физики обычно сначала охлаждают облако атомов до температур, приближающихся к абсолютному нулю, а затем используют систему лазерных лучей, чтобы загнать атомы в оптическую ловушку. Лазерный луч - это электромагнитная волна с определенной длиной волны (расстоянием между максимумами электрического поля) и частотой. Длина волны ограничивает наименьшую форму, в которую может быть преобразован свет, обычно до 500 нанометров, что является так называемым пределом оптического разрешения. Поскольку атомы притягиваются лазерным излучением определенной частоты, атомы будут располагаться в точках максимальной интенсивности лазерного излучения. По этой причине существующие методы были ограничены в том, насколько близко они могут расположить атомные частицы, и не могли быть использованы для изучения явлений, происходящих на гораздо меньших расстояниях.
|
|
|
|
"Традиционные методы ограничиваются 500 нанометрами, которые ограничены не атомами, а длиной волны света", - объясняет Кеттерле. "Теперь мы нашли новый способ работы со светом, позволяющий преодолеть это ограничение". Новый подход команды, как и современные методы, начинается с охлаждения облака атомов — в данном случае примерно до температуры в 1 микрокельвин, что всего на волосок выше абсолютного нуля, — после чего атомы практически останавливаются. Затем физики могут использовать лазеры для придания замороженным частицам желаемой конфигурации. Затем Ду и его коллеги поработали с двумя лазерными лучами, каждый из которых имел разную частоту или цвет, а также круговую поляризацию, или направление электрического поля лазера. Когда два луча проходят через переохлажденное облако атомов, атомы могут направлять свои вращения в противоположных направлениях, следуя поляризации любого из двух лазеров. В результате лучи образуют две группы одинаковых атомов, только с противоположными спинами.
|
|
|
|
Каждый лазерный луч формировал стоячую волну, периодическое изменение напряженности электрического поля с пространственным периодом в 500 нанометров. Из-за различной поляризации каждая стоячая волна притягивала и удерживала одну из двух групп атомов, в зависимости от их спина. Лазеры можно было бы наложить друг на друга и настроить таким образом, чтобы расстояние между их соответствующими пиками составляло всего 50 нанометров, а это означает, что атомы, притягивающиеся к пикам каждого соответствующего лазера, были бы разделены одинаковыми 50 нанометрами. Но для того, чтобы это произошло, лазеры должны были быть чрезвычайно стабильными и невосприимчивыми ко всем внешним шумам, таким как тряска или даже дыхание во время эксперимента. Команда поняла, что они могут стабилизировать оба лазера, направив их через оптическое волокно, которое служит для фиксации световых лучей на одном месте по отношению друг к другу. "Идея посылать оба луча по оптическому волокну означала, что вся машина могла сильно трястись, но два лазерных луча оставались абсолютно стабильными по отношению друг к другу", - говорит Ду.
|
|
|
|
В качестве первого испытания своей новой методики команда использовала атомы диспрозия — редкоземельного металла, который является одним из сильнейших магнитных элементов в периодической системе Менделеева, особенно при ультрахолодных температурах. Однако в масштабе атомов магнитные взаимодействия элементов относительно слабы даже на расстояниях в 500 нанометров. Как и в случае с обычными магнитами на холодильник, магнитное притяжение между атомами возрастает с приближением, и ученые подозревали, что если бы их новая технология позволила расположить атомы диспрозия на расстоянии до 50 нанометров друг от друга, они могли бы наблюдать возникновение слабых взаимодействий между магнитными атомами. "Мы могли бы внезапно столкнуться с магнитными взаимодействиями, которые раньше были почти незначительными, но теперь стали действительно сильными", - говорит Кеттерле. Команда применила свою методику к диспрозию, сначала переохладив атомы, а затем пропустив через них два лазера, чтобы разделить атомы на две спиновые группы, или слои. Затем они направили лазеры через оптическое волокно, чтобы стабилизировать их, и обнаружили, что действительно, два слоя атомов диспрозия притягивались к соответствующим лазерным пикам, что фактически разделяло слои атомов на 50 нанометров — самое близкое расстояние, которого удавалось достичь в экспериментах с ультрахолодными атомами.
|
|
|
|
При таком чрезвычайно близком расположении естественные магнитные взаимодействия атомов значительно усиливались и были в 1000 раз сильнее, чем если бы они располагались на расстоянии 500 нанометров друг от друга. Команда ученых обнаружила, что эти взаимодействия приводят к двум новым квантовым явлениям: коллективным колебаниям, при которых колебания одного слоя вызывают синхронные колебания другого слоя; и термализации, при которой один слой передает тепло другому исключительно за счет магнитных колебаний в атомах. "До сих пор обмен теплом между атомами мог происходить только тогда, когда они находились в одном физическом пространстве и могли сталкиваться", - отмечает Ду. "Теперь мы увидели атомные слои, разделенные вакуумом, и они обмениваются теплом посредством флуктуирующих магнитных полей". Результаты работы команды представляют собой новый метод, который может быть использован для размещения многих типов атомов в непосредственной близости друг от друга. Они также показывают, что атомы, расположенные достаточно близко друг к другу, могут демонстрировать интересные квантовые явления, которые могут быть использованы для создания новых квантовых материалов и, возможно, атомных систем с магнитным приводом для квантовых компьютеров. "Мы действительно внедряем в практику методы с высоким разрешением, и это станет универсальным инструментом для проведения квантового моделирования", - говорит Кеттерле. "Существует множество возможных вариантов, над которыми мы работаем".
|
|
|
|
Источник
|
