Физики засняли срез фермионного облака

Канадские физики усовершенствовали методику получения изображений фермионных газов: теперь стало возможным получать двумерные «срезы» трехмерной системы атомов-фермионов с высоким разрешением и возможностью точного позиционирования. Авторы считают, что их исследование поможет в создании трехмерных изображений фермионных конденсатов. Работа опубликована в журнале Physical Review A.

Сначала ученые охладили атомы ⁴⁰K до сверхнизких температур, чтобы получить состояние так называемого фермионного конденсата — когда большая часть фермиевских частиц занимает минимально возможные энергетические уровни. Для этого авторы использовали методику ответного охлаждения, когда частицы «замораживаются» за счет других атомов, которые гораздо проще охлаждать — за счет бозонов.

Дело в том, что фермионы — частицы с полуцелым спином, и согласно принципу Паули, два фермиона не могут занимать одно квантовое состояние одновременно. Из-за этого система из нескольких фермионов будет распределяться по энергетическим уровням. Это значит, что только один из атомов будет находиться в состоянии с наименьшей энергией — у остальных она будет выше. Если один из «последних» атомов получит даже небольшое количество энергии — он «испарится», то есть перейдет на гораздо более высокий уровень. У бозонов же нет запрета, не позволяющего занимать уровень с наименьшей энергией. Поэтому охлаждать бозоны гораздо проще — малейшие флуктуации энергии не приводят к сильному увеличению кинетической энергии, и частицы не так легко «испаряются».

В качестве такой бозонной добавки авторы использовали атомы ⁸⁷Rb. Поместив смесь ⁴⁰K и ⁸⁷Rb в магнитную ловушку, ученые смогли охладить смесь стандартными методами (лазерным и испарительным) до температур в 0,2 микрокельвин. Затем атомы рубидия удалялись из системы, а ⁴⁰K помещали в так называемую оптическую решетку — систему перекрещенных лазерных лучей. При определенной конфигурации лазеров в такой системе образуется периодический потенциал с минимумами и максимумами энергии. Такая структура напоминает кристаллическую решетку — отсюда и ее название.

Затем ученые добавили в систему еще несколько лазеров, которые «провоцировали» в атомах определенные электронные переходы. Если в атоме могут реализовываться два электронных перехода на один и тот же уровень, при сочетании двух лазерных лучей соответствующей частоты в веществе возникает «окно прозрачности». То есть фотоны, которые при других условиях поглощались бы, перестают поглощаться. Этот эффект называется электромагнитно-индуцируемой прозрачностью. Из-за него возникает узкий провал в спектре поглощения вещества. Используя это явление, ученые не только поддерживали атомы в охлажденном состоянии, но и получали их изображения.

Облучим систему атомов светом с частотой, соответствующей первому из двух описанных выше переходов. Пусть в первой группе произошел электронный переход на нужный уровень, а в другой группе — на другой уровень (например, если изначально атом был в возбужденном состоянии). Затем будем воздействовать светом с частотой, соответствующей второму переходу. Первая группа атомов этого воздействия просто не заметит, а вторая — испарится, «поглотив» фотоны. Так ученые осуществляли «удаление» слишком «горячих» атомов.

Чтобы получить изображения «срезов» трехмерной решетки, авторы проводили эти манипуляции с электронными состояниями ⁴⁰K в градиенте магнитного поля. Микроволновый импульс с частотой, соответствующей первому переходу, в присутствии такого поля приводил к резонансным электронным переходам в некоторых атомах — только в тех, которые находятся строго в одной из плоскостей трехмерной решетки, перпендикулярной градиенту поля. То есть выбирая частоту микроволнового импульса, можно выборочно поменять внутреннее состояние атомов в одной из таких плоскостей. Чтобы свести к минимуму электронные переходы в других плоскостях, использовался максимально возможный узкий луч, направленный вдоль соответствующего направления. При этом следующий импульс другой частоты «проверяет» наличие электромагнитно-индуцируемой прозрачности в этой плоскости, испаряя «нежелательные» атомы. Затем происходит релаксация — состояние атомов возвращается к первоначальному. При релаксации происходит излучение фотонов, соответствующих энергии перехода — их и детектирует спектрометр. Таким образом, ученые получают изображение отдельного «среза» фермионного облака. Авторы работы считают, что их исследование — первый шаг в создании трехмерных изображений фермионных газов.

Исследование особенностей поведения конденсатов Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна может помочь в понимании природы многих явлений: от структуры периодической системы элементов до сверхпроводимости. В настоящее время два метода визуализации отдельных атомов-фермионов оказались эффективными. В одном из них лазерное излучение инициирует рамановские электронные переходы в атоме: охлаждение происходит за счет разницы энергий поглощенного и испускаемого фотона. Второй метод, основанный на эффекте электромагнитно-индуцируемой прозрачности, был уже успешно применен ранее для получения двумерных изображений переохлажденных атомов ⁴⁰K.