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