Исследователи из Высшей школы Института оптики (Institut d'Optique Graduate School) при Национальном центре научных исследований Франции и Университета Пари-Саклэ (Université Paris-Saclay) разработали новый способ перестроения холодных атомов по одному в полностью упорядоченные массивы. Подобный метод может быть применён для моделирования квантовых систем с использованием нейтральных атомов, удерживаемых в плоских массивах оптических ловушек.
Оптическая ловушка (или, как её ещё называют, оптический пинцет) работает за счёт удержания атомов, молекул или маленьких прозрачных объектов вблизи фокуса лазерного луча. Технология позволяет захватить частицы и манипулировать ими посредством использования только лишь лазерного света ("Вести.Наука" не раз рассказывали о такого рода научных инструментах, которые однажды могут получить широкое распространение и в обычной жизни).
Метод сыграл важнейшую роль в манипулировании вирусами и белками для различных медицинских исследований, а также использовался для построения крошечных наномашин (за которые, кстати, дали Нобелевскую премию по химии 2016 года).
Удерживание большого количества холодных атомов в оптических ловушках также оказалось полезным и для физиков, поскольку такие массивы могут имитировать квантовые свойства твёрдых тел. Однако создание подобных систем остаётся сложной задачей для инженеров.
Теперь же Тьерри Лаэ (Thierry Lahaye) и его коллеги смогли преодолеть серьёзный недостаток оптической ловушки. Ранее из-за него было трудно использовать технологию для сборки идеальных массивов одиночных холодных атомов.
Лаэ объясняет, что при работе с холодными атомами проявляется следующая проблема: "каждая оптическая ловушка произвольно загружается в массив, и вероятность того, что она будет заполнена атомами в какой-то конкретный отрезок времени, составляет только 50 процентов".
"Сейчас же мы хотим получить полностью загруженный массив, то есть такой, в котором каждая ловушка имеет 100-процентную вероятность содержания одного атома, — говорит учёный. – Хотя исследователи и ранее пытались решить эту проблему разными способами, ни один из них не был столь эффективным и универсальным, как наш".
Решение французских учёных: рассортировать неупорядоченные массивы атомов в упорядоченные с помощью оптических потенциалов. Исследователи использовали пространственный модулятор света для создания произвольных 2D-массивов (плоских), содержащих до 100 ловушек.
Каждая ловушка имеет радиус порядка одного микрометра. Ловушки также были разделены расстоянием примерно в три микрометра. Ловушки были загружены в случайном порядке атомами рубидия-87 с вероятностью заполнения в 50 процентов.
Исследователи затем использовали быстродвижущиеся оптические пинцеты для перегруппировки атомов в неупорядоченном массиве в заранее определённые пространственные конфигурации (смотрите рисунок).
Специалисты сравнивают процесс с тем, как работает демон Максвелла. Поясним, что это главный персонаж мысленного эксперимента — воображаемое разумное существо микроскопического размера, придуманное британским физиком Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс второго начала термодинамики.
Конечная заполненность массивов была проверена при помощи света. Наблюдаемая флюоресценция атомов рубидия была отснята ПЗС-камерой.
Французские исследователи говорят, что новая технология может быть использована для моделирования различных квантовых систем.
"Мы также пытается выполнить такого рода эксперименты, используя нашу технологию и подключая наши предыдущие наработки, в которых мы доводили захваченные атомы до высоковозбуждённого ридберговского состояния для моделирования квантовой модели Изинга", — добавляет Лаэ.
Об этой модели корреспонденты "Вести.Наука" рассказывали ранее в другом материале. Отметим, что за сложным названием скрывается новый тип вычислительных систем (высокопроизводительных компьютеров нового класса).
Новый "конструктор для атомов" описан в статье журнала Science.
