Дослідники з Вищої школи Інституту оптики розробили новий спосіб перестроювання холодних атомів по одному в повністю впорядковані масиви. Подібний метод може бути застосований для моделювання квантових систем з використанням нейтральних атомів, утримуваних в плоских масивах оптичних пасток.
Оптична пастка (або, як її ще називають, оптичний пінцет) працює за рахунок утримання атомів, молекул або маленьких прозорих об’єктів поблизу фокуса лазерного променя. Технологія дозволяє захопити частинки і маніпулювати ними за допомогою тільки лише лазерного світла («Вести.Наука» не раз розповідали про такого роду наукових інструментах, які одного дня можуть одержати широке поширення і в звичайному житті).
Метод зіграв найважливішу роль в маніпулюванні вірусами і білками для різних медичних досліджень, а також використовувався для побудови крихітних наномашин (за які, до речі, дали Нобелівську премію з хімії 2016 року).
Утримування великої кількості холодних атомів в оптичних пастках також виявилося корисним і для фізиків, оскільки такі масиви можуть імітувати квантові властивості твердих тел. Однак створення подібних систем залишається складним завданням для інженерів.
Тепер же Тьєррі Лае (Thierry Lahaye) і його колеги змогли подолати серйозний недолік оптичної пастки. Раніше з-за нього було важко використовувати технологію для складання ідеальних масивів одиночних холодних атомів.
Лае пояснює, що при роботі з холодними атомами проявляється наступна проблема: «кожна оптична пастка довільно завантажується в масив, і ймовірність того, що вона буде заповнена атомами в якийсь конкретний відрізок часу, становить не менше 50 відсотків».
«Зараз ми хочемо отримати повністю завантажений масив, тобто таким, у якому кожна пастка має 100-відсоткову ймовірність утримання одного атома, — говорить учений. — Хоча дослідники і раніше намагалися вирішити цю проблему різними способами, жоден з них не був настільки ефективним і універсальним, як наш».
Рішення французьких вчених: розсортувати невпорядковані масиви атомів у впорядковані за допомогою оптичних потенціалів. Дослідники використовували просторовий модулятор світла для створення довільних 2D-масивів (плоских), що містять до 100 пасток.
Кожна пастка має радіус близько одного мікрометра. Пастки також були розділені відстанню приблизно в три мікрометра. Пастки були завантажені у випадковому порядку атоми рубідію-87 з імовірністю заповнення в 50 відсотків.
Дослідники потім використовували бистродвижущиеся оптичні пінцети для перегрупування атомів у неупорядоченном масиві в заздалегідь певні просторові конфігурації (дивіться малюнок).
Фахівці порівнюють процес з тим, як працює демон Максвелла. Пояснимо, що це головний персонаж мисленого експерименту — уявне розумна істота мікроскопічного розміру, придумане британським фізиком Джеймсом Максвеллом з метою проілюструвати парадокс другого початку термодинаміки.
Кінцева заповненість масивів була перевірена за допомогою світла. Спостережувана флюоресценція атомів рубідію була відзнята ПЗЗ-камерою.
Французькі дослідники говорять, що нова технологія може бути використана для моделювання різних квантових систем.
«Ми також намагається виконати такого роду експерименти, використовуючи нашу технологію і підключаючи наші попередні напрацювання, в яких ми доводили захоплені атоми до високовозбужденного рідберговського стану для моделювання квантової моделі Ізінга», — додає Лае.
Про цієї моделі кореспонденти «Вести.Наука» розповідали раніше в іншому матеріалі. Зазначимо, що за складним назвою ховається новий тип обчислювальних систем (високопродуктивних комп’ютерів нового класу).
Новий «конструктор для атомів» описаний в статті журналу Science.
