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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Фотоны нарушили квантово-механический аналог первого закона Ньютона

Физики подтвердили это экспериментально

Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».