Физики «мгновенно заморозили» кристалл из 150 ионов

Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) «мгновенно заморозили» плоский кристалл из 150 ионов бериллия (электрически заряженных атомов), открывая новые возможности для моделирования магнетизма в квантовом масштабе и восприятия сигналов от таинственной темной материи.

Многие исследователи десятилетиями пытались охладить вибрирующие объекты, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом до такой степени, чтобы они имели минимальное движение, допускаемое квантовой механикой – теорией, которая управляет поведением вещества в атомном масштабе. Чем холоднее, тем лучше, потому что это делает устройство более чувствительным, более стабильным и менее искаженным, и, следовательно, более полезным для практического применения. До сих пор, однако, исследователи смогли уменьшить только несколько типов вибраций.

В эксперименте NIST магнитные и электрические поля охлаждали и захватывали ионы, так что они образовывали диск диаметром менее 250 микрометров (миллионных долей метра). Диск считается кристаллом, потому что ионы расположены регулярно повторяющимся образом.

Ион Кристалл Вибрация Иллюстрация

Это иллюстрация вибрирующих ионов бериллия (электрически заряженных атомов), захваченных в кристаллическом образовании. Исследователи NIST охладили и замедлили эти вибрации «барабанной головки» почти до неподвижности. (Изображение: Jordan / NIST)

Как описано в Physical Review Letters ( «Охлаждение двумерных кристаллов с захваченными ионами с более чем 100 ионами в ближнем основном состоянии » ), исследователи NIST охладили кристалл всего за 200 микросекунд (миллионные доли секунды), так что каждый ион имел около одна треть энергии переносится одним фононом, пакетом энергии движения в кристалле. Это очень близко к количеству энергии в минимально возможном квантовом «основном» состоянии для так называемых вибраций кристалла «барабанной головки», которые аналогичны движениям взбивающегося барабана вверх и вниз.

Исследователи охладили и замедлили все 150 колебаний барабанной головки, по одной на каждый ион. (На приведенном ниже видео моделирования показано восемь примеров типов вибрации головки барабана.) Работа показала, что сотни ионов можно коллективно успокоить с помощью этой техники, что является значительным шагом вперед по сравнению с предыдущей демонстрацией другой группы, охлаждающей линию из 18 ионов.

Для вибраций на частотах, охлажденных в этой демонстрации, одна треть энергии, переносимой фононом, соответствует 50 мкКельвинам, или 50 миллионным градуса выше абсолютного нуля (минус 459,67 ° F или минус 273,15 ° C), руководитель группы Джон Боллинджер сказал. Боллингер отметил, что, хотя это и не рекордная температура, этот уровень близок к квантово-механическому основному состоянию для всех режимов работы головки барабана, а это означает, что тепловое движение для такой сильно ограниченной системы мало.

Чтобы добиться такого большого охлаждения, исследователи направили два кристалла с определенными частотами и уровнями мощности на кристалл. Лазеры связывали энергетические уровни ионов таким образом, чтобы заставить ионный кристалл терять энергию, не добавляя к его движению. Для большинства частиц лазерного света, рассеянных кристаллом, ионы теряли движение, охлаждая кристалл.

Метод не охлаждает другие типы вибраций, такие как поперечное движение кристалла в форме диска. Но движения барабанной головки имеют наиболее практическое применение. Только вибрации барабанной головки используются в квантовом моделировании и квантовых датчиках.

Более холодные колебания головки барабана сделают ионный кристалл более реалистичным симулятором квантового магнетизма, который может быть трудно рассчитать на обычных компьютерах. Охлаждение в наземном состоянии также должно позволять создавать более сложные запутанные квантовые системы, делая возможным более качественные измерения для приложений квантового зондирования.

«Приложение квантового зондирования, которое мы очень рады исследовать, – это обнаружение очень слабых электрических полей», – сказал Боллинджер. «С охлаждением основного состояния мы улучшаем нашу способность воспринимать электрические поля на уровне, который позволяет искать определенные типы темной материи – аксионы (гипотетические субатомные частицы) и скрытые фотоны (пока еще невидимые носители силы)».

Дальнейшие исследования попытаются охладить трехмерные кристаллы с гораздо большим количеством ионов.

Источник:www.nanowerk.com