Немецкие физики исследовали образование фешбаховских димеров из атомов калия-40, помещенных в узлы оптической решетки и возбужденных в состояние движения с ненулевым орбитальным моментом. Ученые не только смогли исследовать энергию связи димеров для различной глубины потенциалов, но обнаружить режим формирования молекул, который не наблюдается в основном колебательном состоянии атомов.

Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Ультрахолодные атомы в оптических решетках уже давно превратились в рутинный инструмент для прощупывания сложной физики, протекающей в конденсированных средах: сверхпроводимости, сверхтекучести, магнитного порядка и так далее. Помимо этого, ученым интересно формирование молекул в таких условиях: когда кинетические энергии атомов достаточно низки, они могут связаться благодаря слабо выраженному минимуму, который есть в зависимости потенциальной энергии ван-дер-ваальсового взаимодействия от расстояния. Образующийся таким образом резонанс Фешбаха интересен тем, что им легко управлять с помощью слабых магнитных полей, что физики используют регулярно.

Большинство экспериментов по этой тематике начинается с захвата атомов из пучка в ячейки оптической решетки, формируемой в виде стоячих волн встречных лазерных лучей. Дальше ученые стараются охладить атомы до сверхнизких температур, что сопровождается их переходом в основное колебательное состояние в потенциальной яме. Основное состояние характеризуется нулевыми квантовыми числами и, как следствие, всяким отсутствием вращения.

Вместе с тем физики знают, что если перевести движение атомов из основного состояния в первое вращательное, то феноменология многочастичных взаимодействий усложняется и открывает дорогу к наблюдению необычных эффектов. К примеру, дисперсионные соотношения бозонных частиц с орбитальным моментом (вторая зона Блоха или P-зона) обладают минимумом вне нулевого импульса. Это означает, что при бозе-конденсации все атомы группируются с ненулевым импульсом, чего не наблюдается в традиционных конденсатах.

Ультрахолодная химия вращающихся атомов была подвергнута куда меньшему числу экспериментальных проверок, чем изучение новых фаз вещества. В 2021 году группа физиков из Гамбургского университета исследовала взаимодействия между фермионными атомами калия-40, переведенными в p-состояния в узлах оптической решетки. В тот раз, в зависимости от спин-поляризации атомного ансамбля, взаимодействие было либо слабым, либо вообще отсутствовало. В этот раз ученые смогли сделать его сильным, использовав резонанс Фешбаха.

В начале эксперимента авторы готовили около 600 000 атомов калия-40, удерживая их в оптической дипольной ловушке в виде сильно вырожденного ферми-газа. В присутствии небольшого магнитного поля ученые загружали атомы в узлы двухкомпонентной оптической решетки, состоящей из чередующихся в шахматном порядке потенциальных ям различной глубины. Настраивая спин-поляризацию атомов с помощью радиочастотных импульсов и медленно меняя магнитное поле, они добивались почти 100-процентного спаривания атомов в димеры. На последнем этапе физики манипулировали разницей в потенциалах подрешеток, чтобы перевести частицы во вторую блоховскую зону.

При таких условиях и атомы, и молекулы будут стараться занимать наинизшие энергетические состояния, которые, в отличие от первой зоны, локализованы в углах элементарной ячейки обратного пространства. Авторы придумали способ, как наглядно визуализировать этот процесс. Для этого они использовали времяпролетную масс-спектрометрию, в рамках которой поле оптической решетки резко выключается, высвобождая частицы. Расстояние, которое они при этом проходят, прежде чем физики зафиксируют их положение по флуоресценции, зависит от скорости и массы частицы. Поскольку фешбаховские димеры в два раза тяжелее, чем отдельные атомы калия, их паттерны были в два раза меньше вдоль одного из направлений, чем атомные. Этот факт позволял независимо оценивать количество атомов и молекул в смеси.

Развитая в работе методика дала физикам возможность определить энергию связи димеров, облучая их радиочастотными импульсами с различной частотой и считая продукты распада. Результаты опытов показали чувствительность не только к магнитному полю, но и к глубине оптической решетки. Авторы выяснили, что при большом ее значении димеры образуются даже тогда, когда эффективная длина рассеяния атомов друг на друге становится отрицательной, чего не наблюдается для частиц в первой блоховской зоне.