最新研究:激光束中的量子环

 公司新闻     |      2020-06-24 03:03

波兰科学院核物理研究所的科学家称,用适当制备的光阱捕获的超冷原子可以将自己排列成令人惊讶、复杂的,迄今尚未观察到的结构。根据他们最近的预测,光学晶格中的物质应以受控方式形成拉伸和不均匀的量子环。

光学晶格,英语:optical lattice,是由光即电磁波构成的结构。激光在这种晶格的构造中起着关键作用。每个激光器都会产生具有严格定义的恒定参数的电磁波,几乎可以任意修改。当激光束正确匹配时,可以创建具有众所周知特性的晶格。通过波的重叠,可以获得最小的电势,其布置使得能够模拟从固态物理学中众所周知的系统和模型。这种准备好的系统的优点是修改这些极小值的位置的相对简单的方法,这实际上意味着可以准备各种类型的晶格。

研究人员说,“如果我们将适当选择的原子引入以这种方式准备的空间区域,它们将聚集在潜在极小值的位置。但是,有一个重要条件:原子必须冷却至超低温,这样它们的能量将足够小而不会脱离已准备好的微妙陷阱。”

由捕获在光学晶格中的原子(或原子团)形成的结构类似于晶体。根据激光束的配置,它们可以是一维、二维或三维的。与晶体不同,它们没有缺陷。而且,尽管在晶体中修改晶格结构的可能性可以忽略不计,但光学晶格却很容易配置。改变激光的特性或光束的切割角度所需的一切。这些特征使光学晶格成为量子模拟器的流行。它们可用于复制原子或原子组的各种空间配置,甚至包括自然界中不存在的物质。

在研究中,科学家研究了光学晶格中的俘获原子。费米子群(Groups of fermions),即描述粒子旋转的量子特征的自旋为1/2的原子放置在它们的位置。在每个位点中,一定数量的原子的自旋指向一个方向(向上),其余的则指向相反的方向(向下)。以吸引人的方式修改原子之间的相互作用会导致原子对的产生,这些原子对对应于超导体中的库珀对,在同一个晶格位置具有相反自旋的电子对。

研究人员解释说:“光学晶格的参数可用于影响陷于各个位点的不同自旋原子之间的相互作用。此外,通过这种方式,可以制备一种状态,该状态模仿系统上施加的外部磁场。以这种方式制备的系统可以再现较大磁场的影响,而无需使用这些磁场。“这是可能的,因为我们知道给定的磁场将如何影响具有相反自旋的粒子数量之间的差异。”

根据基于研究团队的预测,在以这种方式制备的系统中应该发生有趣的相分离。结果,由捕获在光学晶格中的物质形成的核-壳结构将被自动形成,一个相的成对原子的核被第二相的成对原子的壳包围。

如下图所示捕获在光阱中的超冷原子形成令人惊讶的复杂结构,取决于具有相反自旋的粒子之间的相互作用,可以在本地创建具有各种特性的相。

研究人员解释说:“这样的情况可以用准备一个佳肴的例子来代表。想象一下一盘米饭配用浓稠的酱汁,通过适当地方式准备该佳肴,我们可以影响米饭和酱汁之间的相对位置。例如,我们可以准备米饭在中间,酱汁围绕在周围。以相同的原料,也可以构建相反的系统:酱汁在盘子中间,而将米饭围成一圈。在我们的研究中,这个佳肴盘子是带有原子及其对的光阱,而米饭和酱汁为将不同类型的原子对分成的两组。”

该研究成果论文发表在《物理科学报告》上。由于其简单性,可以在实验室实验中快速验证光阱中所描述的超冷原子系统。研究结果预测,被困在光学晶格中的超冷原子可以形成具有不均匀结构的量子环。

参考:Superfluidity of fermionic pairs in a harmonic trap. Comparative studies: Local Density Approximation and Bogoliubov-de Gennes solutions, Journal of Physics Communications (2020). DOI: 10.1088/2399-6528/ab8f02