Физики охладили до основного состояния все осевые колебания двумерного кристалла

Американские физики одновременно охладили до основного состояния все осевые моды колебаний двумерного кристалла, состоящего из 190 ионов бериллия-9: когда охлаждение заканчивалось, заселенность энергетических уровней в среднем была много меньше одного. Для этого ученые использовали «темные состояния» ионов. Таким образом, исследователи установили рекорд по числу одновременно охлажденных мод. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Погрешность большинства измерений ограничена тепловыми колебаниями, поэтому точные приборы необходимо охлаждать до как можно более низких температур. Еще сильнее эти проблемы проявляются в квантовом мире — температурные колебания искажают эволюцию квантовых систем, приводят к их декогеренции и «замыливают» наблюдаемую картину. В частности, тепловые колебания ограничивают число кубитов квантового компьютера. Поэтому физики стараются как можно сильнее подавить колебательные моды квантовой системы и перевести ее в основное состояние.

Один из самых перспективных инструментов в этой области — это лазерное охлаждение. Впервые оптические силы, с помощью которых можно удерживать и охлаждать частицы, обнаружил в конце 1970-х Артур Эшкин, получивший в прошлом году Нобелевскую премию по физике. Несколько лет спустя физики реализовали предложенный Эшкиным метод на практике, научились охлаждать ионы и нейтральные атомы. В настоящее время ученые умеют охлаждать отдельный осциллятор практически до основного квантового состояния, однако подавить все тепловые колебания в сложных системах, состоящих из большого числа осцилляторов, до сих пор никому не удавалось. Проблема заключается в том, что традиционные способы охлаждения плохо масштабируются при увеличении числа частиц. Вероятно, дальше всего в этом направлении продвинулась группа под руководством Кристиана Руза (Christian Roos), которой удалось охладить до основного состояния радиальные степени свободы цепочки 18 ионов кальция-40.

Теперь группа исследователей под руководством Елены Йордан (Elena Jordan) улучшила этот результат почти на порядок. Используя ту же технику, что и группа Руза, физики одновременно охладили до основного состояния все осевые моды колебаний двумерного кристалла, который состоял из 190 ионов бериллия-9, пойманных в оптическую ловушку. Такие колебания напоминают колебания мембраны барабана (ионы движутся вверх-вниз), а их число совпадает с числом ионов кристалла. Таким образом, исследователи установили рекорд одновременно по числу одновременно подавленных мод.

Для охлаждения ученые использовали технику электромагнитно наведенной прозрачности. Сначала физики предварительно охлаждали кристалл с помощью эффекта Доплера и спонтанного комбинационного рассеяния. Затем выбирали два низкоэнергетических состояния, резонансная частота которых немного отличалась от частоты лазера, и когерентно связывали их с высокоэнергетическим состоянием. В результате ион кристалла переходил в «темное» состояние, в котором ион не может поглотить фотон лазера. Таким образом, подстраивая параметры лазера, исследователи изменяли профиль поглощения образца. В частности, повышали вероятность переходов, при которых осевые степени свободы теряли энергию, и уменьшали вероятность обратных переходов. Получалось, что средняя энергия осевых мод со временем уменьшается, то есть кристалл охлаждается.

Чтобы измерить температуру мод, ученые связывали поперечные колебания иона с его внутренними степенями свободы (спином), используя оптически-дипольную силу. Для этого физики направляли на кристалл два лазера с нерезонансной частотой и измеряли его отклик. Поскольку наблюдаемое на практике распределение совпадало с теоретическими предсказаниями, ученые могли оценить по нему температуру мод и заселенность энергетических уровней.

В результате ученые получили, что после охлаждения средняя заселенность энергетических уровней была практически нулевой (n ≈ 0,3±0,2). Это указывало на то, что практически все осевые моды колебаний охладились до наименьшей возможной энергии. Кроме того, ученые измерили скорость охлаждения — оказалось, что заселенность уровней падает по экспоненте с периодом около 30 микросекунд. 

Вообще говоря, в двумерном кристалле могут возбуждаться не только осевые, но и «плоскостные» моды колебаний, число которых равно удвоенному числу ионов. Такие колебания тоже несут энергию, и для полноценного охлаждения кристалла их нужно подавлять наравне с осевыми модами. Тем не менее, исследователи пренебрегли модами, лежащими в плоскости кристалла, поскольку они не используются при квантовых вычислениях или сверхточных измерениях. В частности, авторы статьи утверждают, что кристалл с охлажденными осевыми модами более эффективно моделирует модель Изинга.

За последние два года физики сделали несколько интересных открытий, связанных с лазерным охлаждением. Например, в январе 2017 исследователи из Национального института стандартов и технологий (США) впервые «заморозили» макроскопический предмет — оптомеханический «барабан» — до состояния с энергией ниже стандартного квантового предела. Для этого ученые использовали сжатый свет. В июле 2018 американские физики теоретически показали, что при лазерном охлаждении двухуровневых атомов часть испускаемых фотонов переходит в состояние бозе-конденсата, свойства которого отличаются от обычного фотонного газа или излучения абсолютно черного тела. В августе американские ученые научились охлаждать облака молекул с помощью «темных» состояний и установили рекорд температуры и плотности для таких облаков. Наконец, в ноябре физики из Йельского университета впервые охладили звуковую волну — систему фононов, которые двигались в кремниевой трубочке. Для этого ученые светили в трубочку инфракрасным лазером.

Дмитрий Трунин