Физики научились адресно управлять слоями ультрахолодных молекул

Американские физики научились взаимодействовать с отдельными двумерными слоями ультрахолодных молекул, помещенных в одномерную оптическую решетку. Для этого они использовали градиент электрического поля, который приводил к различию в энергетических уровнях молекул, расположенных в разных слоях. Ученые добились в таких системах большого времени когерентности молекул, а также изучили обменные процессы между соседними слоями. Исследование опубликовано в Science.  

Редукция размерности среды зачастую открывает новые свойства или возможности, которые не наблюдались до этого. Типичными примерами таких открытий стали исследования графена или двумерных электронных газов, которые сильно обогатили наши представления о свойствах твердых тел. Не стали исключением свойства холодных газов, в особенности, молекулярных.

Уменьшение количества направлений, в которых могут двигаться молекулы, увеличивает возможности контроля взаимодействия между ними. В этом плане перспективны полярные молекулы, чьей ориентацией можно управлять с помощью электрического поля, настраивая как притяжение, так и отталкивание. Таким путем физики смогли наблюдать сверхтекучие и топологические фазы, коллективные возбуждения в гидродинамическом режиме и динамическую генерацию спин-сжатых состояний.

В случае, когда таких двумерных слоев несколько, (такое бывает, например, в оптических решетках), можно настраивать также и межслойные молекулярные взаимодействия. Несмотря на наличие преграды, молекулы из соседних слоев способны вступать в реакции, которые приводят к потерям. Обычно с потерями борются, ориентируя их правильным образом или настраивая их состояния. Использование этих методов в оптических решетках требует контроля отдельных слоев, чего до недавнего времени никто не делал.

Уильям Тобиас (William Tobias) с коллегами из Национального института стандартов и технологий США сообщили, что им удалось реализовать адресное управление состояниями ультрахолодных полярных молекул в оптических решетках. Для этого физики создавали градиент электрического поля, что приводило к разному смещению энергетических уровней молекул, расположенных в различных слоях. Это позволило ученым подробнее изучить динамику потерь за счет реакций между молекулами из соседних слоев.

В начале эксперимента физики помещали атомы ⁴⁰K и ⁸⁷Rb в оптическую дипольную ловушку, поверх которой формировали одномерную оптическую решетку с периодом 560 нанометров. С помощью магнитоассоциации и вынужденного рамановского перехода (stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP) в электрическом поле напряженностью один киловольт на сантиметр они формировали молекулы KRb при температуре 350 нанокельвин. У авторов получилось создавать 12 двумерных слоев, каждый из которых содержал около полутора тысяч молекул.

С помощью шести вакуумных электродов физики могли менять направление и величину электрического поля с пространственным разрешением. В направлении, перпендикулярном слоям, они создавали градиент его модуля, равный 6,2 киловольт на обратный сантиметр в квадрате. Это приводило к тому, что положение вращательных уровней атомов смещалось от слоя к слою. Таким образом, авторы имели возможность обращаться к молекулам конкретного слоя, облучая решетку узкополосными микроволновыми импульсами с переменной частотой. Для более тонкой настройки авторы управляли положением слоев относительно электродов, меняя фазу одного из формирующих решетку лазеров. С помощью такой техники, а также установки магического угла между полем электродов и поляризацией оптической решетки физики добились времени когерентности вращательных суперпозиции в одиночном слое, равном полутора миллисекундам.

На втором этапе работы авторы исследовали потери молекул за счет различных каналов их реакций. Две молекулы в одинаковом состоянии в силу своей фермионной природы могут прореагировать только через p-волновой канал, что происходит существенно медленнее, чем через s-волновой канал, который доступен паре молекул на разных колебательных уровнях. Этот факт подавляет скорость потерь в слое, в котором все молекулы подготовлены в основном состоянии. Однако наличие по соседству слоя, в котором все молекулы возбуждены, приводит к обменным процессам, которые запускают s-волновые реакции. Физики убедились, что скорость потерь растет с числом слоев, в которых состояние молекул отличается от состояния основного слоя, а также измерили соответствующие параметры. Они также подтвердили гипотезу о том, что рост температуры ускоряет обменные процессы.

Кубиты на основе ультрахолодных полярных молекул могут демонстрировать и большие времена когерентности. Ранее мы уже писали о достижении ста миллисекунд в молекулах CaF.

Марат Хамадеев