Физики создали виртуальную квантовую лестницу из импульсов

Ученые из Иллинойского университета в Урбан-Шампейн разработали метод создания виртуальных импульсных решеток. По сравнению с обычной «синтетической» решеткой, физики добавили возможность контролировать импульс частиц. С помощью такого подхода можно очень тонко моделировать магнитные поля, а значит получать материалы в экзотических состояниях, недостижимых на сегодняшний день с помощью обычных методов. В своей работе ученые продемонстрировали новый подход на примере прямого наблюдения хиральных токов в моделировании целочисленного квантового эффекта Холла. Соответствующая статья опубликована в журнале Science Advances.

Идея создавать атомарные решетки, конфигурацию которых можно точно подстроить под наблюдение конкретного эффекта считается весьма перспективной среди физиков. Таким методом можно создавать структуры, не встречающиеся в природе, но проявляющие необходимые исследователям свойства. На сегодняшний день активно развивается идея строить периодические решетки, в которых роль электронов из обычного материала играют охлажденные атомы, а периодический потенциал обеспечивается с помощью лазеров. Однако ученые из Иллинойса решили пойти дальше: они создали систему, в которой трансляционной симметрией будет обладать также и импульсы частиц.

Для построения такой экзотической системы исследователи охладили до состояния конденсата Бозе-Эйнштейна атомы рубидия с помощью лазеров. Далее, ученые поместили атомы в оптические ловушки, имитирующие потенциальные ямы, в которых находятся электроны в реальных системах.

Для дальнейшего управления системой физики из США использовали две пары лазеров с некратной длиной волн (1064 нм и 781.5 нм). Каждая пара лазеров была ориентирована вдоль общей оси и могла увеличивать импульс атомов на свою для каждой пары лазеров величину. Из-за того, что длины волн лазеров были некратными, суммарный импульс можно было разложить на сумму независимых составляющих, полученных от разных пар лазеров. В качестве демонстрации пригодности метода физики ограничились пятью возможными вариантами импульса, полученного от длинноволнового лазера и двумя от коротковолнового. Представление возможных состояний в двумерном импульсном пространстве из-за характерного внешнего вида ученые назвали лестницей.

Новизна в этой работе заключается в том, что созданные ранее системы имели одно пространственное и одно импульсное измерение. Новая же система имеет по сути два независимых импульсных измерения. Как утверждают ученые, это дает возможность имитирования сильно неоднородного магнитного поля (перепад в 100 Тл на расстоянии в несколько ангстрем), что на сегодняшний день недостижимо как в обычных материалах, так и с помощью систем из оптических ловушек. Также их схема может быстро изменять эффективное магнитное поле в режиме «имитация однородного поля».

Стоит отметить, что для тестирования метода ученые выбрали довольно сложную задачу. Хиральные токи — это асимметричные токи, которые не могут одинаково течь в различных (обычно противоположных) направлениях в силу физических особенностей системы. Например, в квантовом целочисленном эффекте Холла по краям образца возникают токи, которые текут либо по часовой стрелке, либо против, в зависимости от направления внешнего магнитного поля. Они возникают из-за того, что электрон, в магнитном поле двигается по окружностям. Однако на краю образца он не может описать свою окружность, отражаясь от границы, но при этом оставляя составляющую импульса «вдоль» края образца. Наблюдение таких хиральных токов в реальных материалах — довольно сложная задача с технической точки зрения, однако как выяснилось, вполне решаемая методом моделирования магнитных полей в специально построенных периодических решетках.

В перспективе, с помощью создания «синтетических» магнитных полей ученые надеются через исследование свойств несуществующих в природе систем приблизится к пониманию того, как можно создавать и использовать новые материалы с необходимыми экзотическими свойствами.