Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Резонансы Фешбаха увидели в атомно-ионной смеси

Pascal Weckesser et al. / Nature, 2021

Физикам удалось увидеть формирование резонансов Фешбаха в смеси иона бария с ультрахолодным газом атомов лития. Они показали, что взаимодействие между ними может меняться от трехчастичного к двухчастичному при измерении концентрации атомов газа. Исследование опубликовано в Nature.

В физике часто бывает ситуация, когда рассеяние каких-либо частиц опосредуется промежуточным связанным или квазисвязанным состоянием. Такие состояния получили названия резонансов. Они встречаются везде, где есть какое-либо рассеяние, например, в физике элементарных частиц, в твердых телах или в химии.

В физике атомов такие резонансы тоже возникают за счет того, что даже между нейтральными атомами всегда возникают слабые взаимодействия, зависящие от расстояния. Если кинетическая энергия атомов сопоставима с потенциальной энергией связи, что возможно только при низких температурах, то их рассеяние друг на друге происходит через образование короткоживущего связанного состояния, названное резонансом Фешбаха.

Резонанс Фешбаха примечателен тем, что с его помощью удалось управлять короткодействующим взаимодействием в однородных и разнородных газовых смесях с щелочными атомами. Интерес также представляет контроль над его дальнодействующей частью, что позволило бы эффективнее проводить квантовые симуляции и обработку квантовой информации. Было показано, что такое взаимодействие присутствует в атомно-ионных смесях, однако до недавнего времени резонанса Фешбаха в них обнаружено не было.

Группа немецких и польских физиков под руководством Тобиаса Шэтца (Tobias Schaetz) сообщила о том, что им удалось наблюдать магнитно-контролируемые резонансы Фешбаха для одиночного иона 138Ba+, помещенного в ультрахолодный газ атомов 6Li. Они выяснили, также, что природа этих резонансов сводится либо к трехчастичному, либо к двухчастичному взаимодействию, что зависит от концентрации атомов лития. В последнем случае происходит симпатическое охлаждение иона, что напрямую сказывается на его вероятности удержаться в неглубокой оптической ловушке.

Для манипуляции одиночными ионами бария физики удерживали их в радиочастотной ловушке и охлаждали до 365 микрокельвин. После чего они смещали ион с центра ловушки, в который помещали охлажденный до 1-3 микрокельвин литиевый газ. Ученые возвращали ион в центр на некоторое время (100-300 миллисекунд) и измеряли вероятность того, что ион останется несвязанным по измерению его флуоресценции.

Поскольку авторы оперировали спин-поляризованными состояниями энергии состояний резонансов подвергались зеемановским сдвигам, что позволило исследовать их все, меняя магнитное поле. В результате авторы обнаружили 11 резонансов, хотя расчеты электронной структуры и многоканального квантового рассеяния предписывали всего 5 для парциальных волн с орбитальным квантовым числом, равным 0, 1 и 2. Такое расхождение удалось устранить, добавив в модель спин-орбитальное взаимодействие второго порядка.

Чтобы разобраться в природе этих резонансов, физики строили зависимость скорости потерь от концентрации атомов лития. Эта зависимость хорошо описывалась квадратичным законом, что свидетельствует от трехчастичном характере взаимодействия между ионом и атомами. Чтобы перейти к двухчастичному режиму, авторы на порядок уменьшили концентрацию атомов лития, а также сократили время пребывания иона среди них. Они ожидали, что в таком случае это приведет к симпатическому охлаждению иона газом. Чтобы увидеть это, физики помещали ион в дополнительную неглубокую оптическую ловушку, которая может удержать ион только с небольшой кинетической энергией. Наблюдая за изменением вероятности захвата иона в эту ловушку при изменении магнитного поля, они также обнаружили резонанс.

Авторы видят развитие этого исследования в когерентном контроле электронных состояний иона и атомов лития, а также в оптимизации установки, чтобы избежать нагрева иона радиочастотной ловушкой. Это позволит формировать молекулярные ионы посредством магнито- или радиочастотной ассоциации, а также анализировать экзотермические свойства такой химической реакции.

Симпатически охлаждать ионы от ультрахолодного газа можно и без смешивания. Мы уже писали, как для этого использовали посредник в виде сверхпроводящего колебательного контура.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.