Физики из Института квантовой оптики им. Макса Планка (Германия) получили высококачественные изображения квантового газа в оптической решётке

Оптическая решетка образуется в результате интерференции лазерных лучей, которые создают потенциальные ямы, расположенные в виде упорядоченного массива. При внесении в такую решётку охлаждённых нейтральных атомов они занимают места в минимумах потенциала. Если глубина ямы будет не слишком велика, частицы смогут перемещаться (за счёт туннельного эффекта) в соседние ячейки решётки. В случае увеличения глубины они теряют такую возможность, и система переходит в состояние изолятора Мотта.

Схема опыта. Справа показана часть флуоресцирующего под действием лазерного излучения «облака» атомов; ячейки решётки отмечены точками. (Иллюстрация из журнала Nature.)

В эксперименте использовался бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК) из нескольких тысяч атомов рубидия-87. Согласно теории, в состоянии БЭК количество атомов, находящихся в разных ячейках решётки, варьируется, а при переходе к изолятору Мотта оно, напротив, должно приближаться к некоему фиксированному значению; эти изменения авторы и наблюдали на опыте. «Нам удалось разглядеть отдельные атомы в отдельных ячейках, — говорит руководитель группы Стефан Кур (Stefan Kuhr). — Охлаждая атомы по вполне стандартной методике, с помощью лазерного излучения, мы регистрировали испускаемые при этом фотоны, используя микроскоп. Обработка результатов таких наблюдений даёт возможность определить количество атомов, находящихся в разных ячейках. Мы даже сумели отследить распространение дефектов при увеличении температуры газа».

«На основе изолятора Мотта, у которого в каждой ячейке будет находиться один атом, можно построить квантовый регистр из нескольких сотен кубитов, — продолжает г-н Кур. — Но сначала необходимо показать, что мы можем манипулировать отдельными атомами в такой структуре. Наш опыт — первый шаг на пути к этому». Подобные исследования должны заинтересовать и теоретиков, поскольку атомы в оптической решётке служат аналогами электронов в кристалле.

Стоит заметить, что аналогичные эксперименты совсем недавно провела группа учёных из Гарвардского университета. Результаты этой работы представлены в журнале Science.

В случае БЭК атомы распределяются по ячейкам неравномерно (слева), а в состоянии изолятора Мотта система упорядочивается (в центре). При увеличении числа атомов возникает характерная кольцевая структура. (Иллюстрация Стефана Кура.)

Наблюдение отдельных атомов по показателям флуоресценции. Точками отмечены ячейки решётки, а кружками обозначены те из них, в которых находятся атомы. (Иллюстрация из журнала Nature.)

Полная версия отчёта опубликована в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com

Текст: Дмитрий Сафин