Изолятор Мотта под микроскопом
(A Mott insulator under the microscope)
Температура резко упала, благодаря новой системе охлаждения
Физики из США разработали новую методику охлаждения атомов в оптической решетке оплетая их лазерными лучами. В отличие от существующих методов, основанных на случайных столкновениях для удаления горячих атомов, эта новая схема включает в себя применение точной последовательности модуляций лазерного излучения. Это дает возможность охлаждения оптических решеток для низких температурах вплоть до 1 пK - значительно ниже того, что возможно сегодня — алгоритм охлаждения может привести к квантовым компьютерам, которые основаны на оптических решетках.
Оптические решетки, содержащие только один атом на узел решетки могут быть использованы для моделирования широкого спектра квантовых явлений, происходящих в твердых материалах, в том числе магнетизм, сверхпроводимость и сверхтекучесть. Они особенно полезны, потому что, в отличие от твердых систем, взаимодействия между атомами в оптической решетке можно регулировать лазерами или с применением магнитного поля.
Такие решетки создаются с помощью впервые сделанной 2D-оптической решетки в вакуумной камере с использованием оплетающих лазерных лучей. Камера также содержит очень разреженный газ атомов, таких как рубидий. Каждый узел решетки является энергетической ямой, в которой один или несколько атомов могут оказаться в ловушке. Чтобы гарантировать, что каждый узел решетки содержит всего один атом, физики обычно ждут, пока случайные столкновения с участием этих атомов с более высокой кинетической энергией должны быть выброшены из системы. Однако, это вынуждает много ждать, и не является характерным для отдельных узлов решетки.
Последовательность модуляций
Теперь Маркус Грайнер (Markus Greiner) и его коллеги из Гарвардского университета разработали новую методику, которая действует как на всю решетку так и на отдельные узлы решетки в зависимости от количества атомов в ней. Схема основана на том, что частота возбуждения требуемая для того, чтобы извлечь атом зависит от того, сколько атомов в узле. Например, когда есть два атома, то один атом может быть выброшен модуляцией глубины ямы на определенной частоте. Эта модуляция не повлияет на другие атомы и не зависит от их количества. Если есть три атома в яме, модуляция на другой частоте позволит извлечь один атом при сохранении двух других. Модуляция на еще одной частоте извлечет один атом из ямы, содержащей четыре атома, и так далее.
Для того чтобы воспользоваться этой процедурой, исследователи применяют тщательно подобранные последовательности модуляций, которыми удаляют четвертый, третий и, наконец, второй атом из узлов — оставляя в них только один атом. Энергия, необходимая для того, чтобы атом перескочил в соседнюю, уже занятую яму, чрезвычайно высока, так что эта конфигурация - называемая изолятор Мотта - будет сохраняться до бесконечности. Существование изолятора Мотта подтверждается с помощью специального оптического микроскопа для выяснения занятости каждого узла решетки.
Удаление энтропии
Решетку, в которой некоторые узлы содержат два или более атомов можно рассматривать в качестве решетки с дефектами. Такая решетка имеет более высокую энтропию, чем идеальный изолятор Мотта. Эта новая схема, следовательно, снижает энтропию решетки, а уменьшение энтропии соответствует падению температуры.
Хотя трудно привести точную температуру, до которой исследователи охладили их решетки, Грайнер говорит, что они достигли порога температур между нанокельвинами и пикокельвинами. Хотя это не столь низко как можно достичь с помощью других методов, в которых достигли десятков пикокельвин, этот алгоритм охлаждения мог бы указать путь к достижению температур в пикокельвины в будущем. Грайнер также признает, что качество созданного изолятора Мотта не столь высоко, как при использовании других методов, однако он говорит, что есть возможности для совершенствования.
Квантовые компьютеры
В принципе, оптические решетки также могут быть использованы для хранения и обработки информации в квантовом компьютере. Грайнер указывает, что техника лабораторной микроскопии может быть использована для контроля и управления квантовым состоянием атомов в отдельных узлах решетки. Это означает, что контролируемые операции «НЕ» - фундаментальая компонента квантового компьютера - может быть реализовано в оптической решетке.
Следующим шагом для Грайнера и коллег,- повторить свой эксперимент с использованием фермионных атомов, а не рубидия, который является бозоном. Это может привести к более реалистичному моделированию поведения электронов в твердых телах, поскольку электроны являются фермионами.
Хеннинг Мориц (Henning Moritz) из Гамбургского университета в Германии описывает развитие алгоритмического охлаждения, как «крупное достижение». В частности, он считает, что технология может иметь решающее значение для достижения лучшего понимания высокотемпературной сверхпроводимости с помощью квантового моделирования. «Выдающаяся задача состоит в том, что необходимо достичь температуру значительно ниже, чем достигнутые сегодня, и эта работа может представлять важный шаг в этом направлении», сказал он для physicsworld.com. Расширение техники для охлаждения атомов-фермионов, также представляют собой важный шаг в этом направлении, считает он.