Стробоскопический эффект позволил создать атомные массивы произвольной геометрии
Американские физики описали новый экспериментальный подход к созданию двумерных массивов холодных атомов произвольной геометрии. Он основан на стробоскопических оптических пинцетах, за формирование которых отвечают два скрещенных акустооптических модулятора. Авторы показали, что комбинация нового подхода с методом разделения атомов по спинам способна реализовывать самые разнообразные модели квантового транспорта. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Понимание того, что неоднородность светового поля способна воздействовать градиентной силой на микроскопические объекты, привело к изобретению оптического пинцета, отмеченного Нобелевской премией (подробнее об этом читайте в материале «Скальпель и пинцет»). Его действие основано на том факте, что распределение в пространстве интенсивности сфокусированного лазерного света имеет максимум. Тогда атом, попавший в окрестность этого максимума, может оказаться плененным.
Интерес, однако, представляют массивы атомов. Их можно создавать, формируя массив оптических пинцетов, то есть фокусируя несколько непараллельных лучей в семейство точек. Другой подход к той же задаче основан на интерференции встречных лазерных пучков, выраженной в пучностях и узлах стоячей волны. Второй способ обеспечивает однородность условий, в которых находятся атомы, но не допускает формирование более сложных геометрий. Последнее особенно важно для задач квантового транспорта в нетривиальной топологии. И хотя оптические пинцеты позволяют формировать такие условия, существующие методы страдают от трудностей с масштабированием и перестройкой.
Группа американских физиков при участии Васима Бакра (Waseem Bakr) из Принстонского университета предложили метод решения второй проблемы. Он основан на стробоскопических оптических пинцетах, которые формируются построчно в нужной конфигурации с некоторой частотой. Авторы показали, что в комбинации с техникой спин-разделения атомов и постселекции новый метод позволяет создавать низкоэнтропийные атомные массивы с одним спином на узел.
Идея нового подхода основана на пропускании лазерного луча через два скрещенных акустооптических модулятора. В этих устройствах создается стоячая ультразвуковая волна, которая служит дифракционной решеткой для падающего света. Меняя параметры звуковой волны, физики могут изменять число лучей, на которые разбивается входящий световой пучок, и их направления. Программируя правильным образом работу модуляторов, авторы добились режима построчной развертки массива пинцетов.
Ученые загружали в заранее спроектированные массивы пинцетов атомы лития-6, охлажденные ниже температуры Ферми. Длина волны лазера составляла 780 нанометров, а область перетяжки имела размер, примерно равный одному микрометру. Частотное разделение модуляторов в восемь мегагерц соответствовало дистанции между соседними пинцетами в 1350 нанометров. Диаметр апертуры и ширина полосы ограничивали размер массива девятью пинцетами в каждом направлении.
Каждый атом, захваченный в такой стробоскопический пинцет, испытывает короткое периодическое воздействие лазерного света. Чтобы удержание таким способом оставалось эффективно, частота развертки должна существенно превышать частоту гармонического колебания атома в ловушке, которая составляет порядка 2,5 килогерц. Физики экспериментально убедились, что при выполнении этого условия, то есть при частотах развертки, превышающий 200 килогерц, время жизни атомов в стробоскопических пинцетах приближается к таковому в статичном пинцете. Таким способом авторы смогли построить различные геометрии массивов: квадратную решетку 5×5, решетку Либа из 21 атома, треугольную решетку 4×5 и кольцо из 8 атомов. Для визуализации атомов они использовали флуоресценцию, сопровождающую рамановское охлаждение боковой полосы.
Для улучшения качества получающихся решеток крайне желательно заселять их из расчета один атом на узел, причем спины всех атомов должны быть ориентированы одинаково. Чтобы этого добиться, физики подхватывали атомный массив оптической решеткой, после чего накладывали градиент магнитного поля. Эффект Штерна — Герлаха разносил атомы с разной компонентой спина на девять микрометров, а дополнительные плоские оптические потенциалы стабилизировали разделенные массивы.
Используя эту технику, ученые реализовали двумерную модель Ферми — Хаббарда, описывающую туннелирование квантовых частиц по периодическому пространству, для небольшой решетки 2×2. Измерение спиновых корреляций вместе с постселекцией конечных состояний оказалось в хорошем согласии с симуляциями, продемонстрировав, что созданная система обладает близкой к нулю энтропией. В будущем физики рассчитывают масштабировать модель, а также реализовать квантовый транспорт в более сложных геометриях.
Ранее мы рассказывали, как другая группа американских физиков реализовала модель Хаббарда для атомов стронция-88 в двумерной оптической решетке. Таким способом ученые исследовали квантовые блуждания, которые оказались полезны для квантового поиска с оракулом.
Марат Хамадеев
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.
