Немецкие физики применили технику времяпролетной визуализации к вырожденному атомному ферми-газу в оптической ловушке для исследования механизма образования атомами куперовских пар. Спаривание проявило себя через парные корреляции атомных импульсов. Авторам удалось управлять вероятностью рождения пар и их энергией с помощью настройки оптических и магнитных полей в ловушке.

Исследование опубликовано в Nature.

Законы квантовой механики универсальны. Разные ансамбли частиц будут вести себя одинаково, если одинаковы взаимодействия между частицами. Это будет так даже в том случае, если в разных ансамблях будут частицы разной природы. Этот принцип положен в основу квантовых симуляций, когда с помощью одной системы можно имитировать процессы, происходящие в другой.

Чаще всего в роли симулирующей системы выступают холодные атомные газы, удерживаемые в оптических ловушках. Такие системы чрезвычайно гибки в плане настройки свойств атомов и взаимодействий между ними с помощью параметров ловушек и внешних полей. Это позволяет изучать с их помощью процессы, протекающие внутри обычных твердых тел с участием электронов. В частности, физикам интересно разобраться, как происходит куперовское спаривание электронов, приводящее к сверхпроводимости и к сверхтекучести.

Впрочем, мало заставить атомы правильно взаимодействовать, их нужно еще как-то регистрировать. Разные группы решают это проблему по-разному. Так, немецкие физики предложили растягивать атомный газ с помощью дополнительного потенциала и изучать его оптическими методами. А их соотечественники из университета Гейдельберга при участии Марвина Холтена (Marvin Holten) измеряли флуоресценцию атомов, которые разлетелись достаточно далеко после выключения удерживающего потенциала. Измеряя таким способом атомные импульсы, они восстанавливали их положение относительно друг друга, подтвердив существование кристаллов Паули.

Теперь та же команда увидела образование куперовских пар не из двух электронов, а из двух фермионных атомов. Ученые использовали ту же саму технику времяпролетной регистрации атомных импульсов. Это значит, что они видели не сами куперовские пары, а влияние их образования на корреляции между импульсами атомных пар с противоположными спинами. Другими словами, если в атомном ансамбле образовывались пары, то их импульсы после разлета всегда были равны по модулю и направлены ровно в противоположные стороны. В качестве объекта исследования физики выбрали мезоскопический холодных квантовый газ атомов ⁶Li.

Говоря проще, атомов в ансамбле было не мало, но и не много (от двух до двадцати штук), а сами они находились при очень холодной температуре. При достаточно сильном охлаждении начинает проявляться квантовость газа, которая зависит от его статистики: бозонной или фермионной. В первом случае обычный газ стремится превратиться бозе-конденсат, во втором — вырожденный ферми-газ, в котором атомы не могут перейти на наинизший энергетический уровень из-за принципа запрета Паули. Изотопы ⁶Li относятся ко второй группе.

Физики запирали атомы в комбинированной оптической ловушке, представляющей собой плоский диск. В ней вдоль осевого направления атомы могли занимать только один уровень, в то время как в радиальном направлении они испытывали потенциал гармонического осциллятора. Такая ловушка представляет собой квазиатом, где роль электронов играют настоящие атомы, а квантовое число осциллятора эквивалентно номеру оболочки. Первая оболочка вмещает два атома со спином 1/2 (по числу возможных проекций спина), вторая — четыре, третья — шесть и так далее. Авторы проводили опыты для четырех различных конфигураций с замкнутыми оболочками, вмещавших в себя 2, 6, 12 и 20 атомов, соответственно. В таком режиме все внешние атомы находятся на поверхности Ферми.

(a) Ловушка в форме диска, образованная комбинацией одного слоя оптической решетки и оптического пинцета. (b) Энергетическая структура квазиатома, содержащего в себе 12 атомов лития-6. © Принцип работы времяпролетной визуализации атомных импульсов. (d) Одно из изображений, получаемых камерой. Разные цвета соответствуют разным проекциям спина. Атомы, связанные штрихованной линией, образовывали в ловушке куперовские пары (крупный штрих обозначает импульсную поверхность Ферми). Из-за флуктуаций центра масс всего ансамбля эти линии проходят, слегка минуя середину. / Marvin Holten et al. / Nature, 2022

Замечательная особенность установки, которую сделали ученые, заключалась в том, что они могли контролировать разницу между энергетическими уровнями квазиатома, настраивая свойства ловушки, а также менять энергию связи между атомами в потенциальных куперовских парах с помощью внешнего магнитного поля. Отношение этих двух параметров оказалось ключевым рычагом для управления вероятностью образования таких пар. Когда энергия связи была меньше, чем один шаг на энергетической лестнице ловушки, физики не видели следов пар. С ростом же их отношения в импульсном спектре начали появляться скоррелированные сигналы с энергиями чуть выше энергии ферми. Наконец, когда оно превысило 15, пары стали рождаться чаще и даже с меньшими импульсами.