Квантовая логика помогла изучить неупругие соударения холодных атомов и ионов

Израильские физики применили технику квантовой логики к измерению вероятности неупругого соударения между холодными атомами рубидия и ионами стронция. В их опыте высвобождающийся избыток энергии переходил к дополнительному логическому иону, чье возбуждение ученые фиксировали оптическими методами. Полученные в эксперименте данные помогут теоретикам точнее строить модели межатомного взаимодействия. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Неупругие соударения всегда представляют для физиков больший интерес, чем упругие, поскольку они открывают доступ к внутренней структуре участвующих в них частиц. В случае, если речь идет об атомах, изменение их внутреннего состояния в силу законов сохранения неизбежно скажется на кинетической энергии. Если речь идет о множественных соударениях в больших атомных ансамблях, неупругие процессы сказываются на макроскопических величинах, поддающихся измерению, таких как температура или давление.

Развитие методов охлаждения и контроля холодных атомов открыло дорогу к изучению столкновений индивидуальных атомов и ионов. Мы уже рассказывали, как физики обнаружили в таких системах Читать дальше, а также смогли с высокой точностью отслеживать траекторию и скорость иона в процессе его движения сквозь атомный конденсат. Прогресс в этом направлении ограничивается тем фактом, что не все ионы можно нужным образом подготавливать и детектировать.

Техники, основанные на квантовой логике и симпатическом охлаждении, выглядят перспективным решением этой проблемы. Симпатическое охлаждение (или охлаждение смешиванием) позволяет подготовить ионы в нужном холодном состоянии, чего нельзя достичь лазерными методами. Под квантовой логикой здесь понимается использование дополнительного (логического) иона, который связывается с ионом, участвующим в некотором физико-химическом процессе, и выступает посредником при измерении его свойств. Несмотря на то, что эти методы уже активно используются физиками во множестве задач, никто пока не применял их к исследованию неупругих столкновений ультрахолодных атомов.

Это удалось сделать израильским физикам под руководством Ора Каца (Or Katz) из Института имени Вейцмана. С помощью квантовой логики они измерили выделение сверхтонкой энергии при неупругом столкновении возбужденного ультрахолодного атома рубидия с изотопами однократно ионизированного стронция. Избыток энергии нагрел логический ион, в роли которого выступал дополнительный ион стронция, что оптически зафиксировали ученые.

Авторы сконцентрировались в своем исследовании на экзотермическом столкновении. Такой процесс возможен, если атомы или ион, который будет участвовать в столкновении (его еще называют «химическим ионом»), находятся в возбужденном состоянии. Энергия этих состояний в результате удара распределяется в кинетические энергии атома и иона. Движение химического иона, в свою очередь, симпатически передается логическому иону, связанному с ним в ловушке (такую связь называют «двухионным кристаллом»). Проводя термометрию состояния логического иона можно сделать вывод о количестве этой энергии.

Для реализации этой идеи физики загружали облако из миллиона атомов ⁸⁷Rb, возбужденных на различные сверхтонкие подуровни, в нерезонансную оптическую решетку, охлаждая их с помощью лазера. В близости от облака они захватывали в ловушку Пауля двухионный кристалл, который состоял из логического иона ⁸⁸Sr⁺ и химического иона, в роли которого выступали различные изотопы стронция: ⁸⁴Sr⁺, ⁸⁶Sr⁺, ⁸⁷Sr⁺ и ⁸⁸Sr⁺. Авторы проводили облако через ионную ловушку, измеряя сигнал флуоресценции, который возникал только тогда, когда логический ион находился в возбужденном состоянии движения.

Ученые исследовали зависимость вероятности этого сигнала от подуровня, на котором находились атомы рубидия, от массового числа изотопов, а также от соотношения спинов атомов и ионов. Они выяснили, что столкновения, при которых спины атомов и ионов антипараллельны, более вероятны. Физики также обнаружили, что при антипараллельной ориентации спина логического иона и неполяризованном химическом ионе вероятность сигнала убывает с ростом массового числа четных изотопов, в то время как единственный нечетный изотоп продемонстрировал почти в два раза меньшую вероятность неупругого соударения. Полученные данные позволят теоретикам откалибровать соответствующие феноменологические потенциалы межатомного взаимодействия.

В рамках ультрахолодной химии ионы сталкивают не только с другими атомами, но и молекулами. Недавно мы рассказывали, как таким способом можно получать рекордно холодные ионизированные молекулы.

Марат Хамадеев