Nær jordkøling af 2-D fangede ionkrystaller

Forskere har forsøgt at afkøle makroskopiske mekaniske oscillatorer ned til deres jordtilstand i flere årtier. Ikke desto mindre, tidligere undersøgelser har blot opnået afkøling af et par udvalgte vibrationstilstande for sådanne oscillatorer.

Et team af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder har for nylig udført en undersøgelse, der undersøger den nær grundtilstands afkøling af todimensionale (2-D) fangede ionkrystaller med over 100 ioner. Succesen med deres køleeksperiment lægger grunden til forbedrede kvantesimuleringer og sansning med 2-D-arrays af hundredvis af ioner fanget inde i en Penning-fælde.

Penningfælder er enheder, der kan lagre ladede partikler ved at anvende et stærkt magnetfelt. Disse enheder kan styre krystaller på titalls til hundredvis af ioner, en kvalitet, der gør dem alsidige kvantesimulatorer. I deres undersøgelse, det lykkedes forskerne ved NIST og UC Boulder at afkøle alle 'trommeskind'-tilstande i en tynd 2-D krystal med over 150 beryllium (Be ⁺ ) ioner, gemt inde i en Penning -fælde.

"Vi brugte Doppler -laserkøling til at afkøle ionerne tæt på Doppler -kølegrænsen. Ved disse lave temperaturer, ionerne danner naturligt en Coulomb -krystal, "Elena Jordan, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "En krystal med N -ioner har 3N bevægelsesmåder. 2N -tilstandene er i krystalplanet og ligner hvirvler eller forvrængninger, N -tilstande er vinkelrette på krystalplanet og ligner tromlehovedtilstande. For kvantesimuleringer, vi kobler disse trommehovedtilstande til ionenes spins. "

Forskerne observerede, at fald af temperaturen i tromlehovedtilstande under Doppler-grænsen kunne forbedre kvantesimuleringer af 2-D-spin-modeller. De satte sig derfor for at implementere en effektiv underdoppler-køleteknik, hvilket ville give dem mulighed for at afkøle ionerne til den lavest mulige temperatur.

"For nylig, Regina Lechner et al. ved universitetet i Innsbruck, Østrig, afkølede lineære strenge på 18 ioner med elektromagnetisk induceret gennemsigtighed (EIT) køling, "Sagde Jordan." Dette tilskyndede os til at tænke på at anvende denne teknik på todimensionale systemer med hundredvis af ioner. "

Inspireret af tidligere forskning udført ved universitetet i Innsbruck, Jordan og hendes kolleger Athreya Shankar, Arghavan Safavi-Naini og Murray Holland ved JILA begyndte teoretisk at undersøge muligheden for EIT at afkøle alle tromlehovedtilstande for en 2-D ion krystal, der roterer inde i en Penning fælde. De fandt hurtigt ud af, at eksisterende teori var utilstrækkelig til at beskrive kølesystemet i dette system og begyndte dermed at udvikle nye modeller.

"Athreya udviklede nye teorimodeller og kørte simuleringer, der viste, at afkøling af alle tromlehovedtilstande skulle være mulig uden at ændre de eksperimentelle parametre for køling, det betyder, at der ikke skal kræves frekvensskift eller lasereffektvariationer, "Forklarede Jordan." Overraskende nok, teori forudsiger, at afkøling af en multi-ioner krystal skal være hurtigere end afkøling af en enkelt ion. Vores resultater opmuntrede os til at implementere EIT -køling, og eksperimenterne viste senere, at køling ikke kun fungerer meget godt i simuleringerne, men også i vores rigtige Penning -fælde. "

Eksperimentet beskrevet i undersøgelsen blev udført af Jordan sammen med sine kolleger Kevin Gilmore, Justin Bohnet og John Bollinger, i deres laboratorium på NIST. Berylliumioner blev begrænset langs aksen af ​​deres Penning -fælde af et statisk elektrisk felt, såvel som ved et stærkt magnetfelt (4,5 T), parallelt med fældeaksen. Ionernes bevægelse i magnetfeltet fører til en Lorentz -kraft, får ionerne til at rotere i fælden, mens de forbliver radielt begrænsede.

"Til EIT -køling, vi brugte to lasere til at koble atomtilstandene i Beryllium på en måde, der fører til kvanteinterferens og skaber en såkaldt 'mørk tilstand', der ikke kobles til laserne og kan bruges til EIT -køling, "Forklarede Jordan." De to bjælker kommer ind fra siden i en vinkel på ± 10 grader i forhold til krystalplanet. "

Rotationen af ​​ioner i Penning -fælden forårsager et tidsvarierende Doppler -skift af laserfrekvenserne. For at opnå effektiv afkøling trods dette Doppler -skift, forskerne detonerede laserne fra atomresonansen større end det maksimale Doppler -skift og justerede lasereffekterne, så EIT -køletilstanden kunne opfyldes.

De målte temperaturen på ionerne ved hjælp af et ekstra par laserstråler, som koblede ionenes spin til deres tromlehovedbevægelse. Denne kobling fører til et spin-faset signal, der kan måles og bruges til at udtrække ionernes temperatur.

"Efter 200 mikrosekunder EIT -afkøling afkøles alle trommehovedtilstande i ionkrystal tæt på jordtilstanden, som vi kan se ved at sammenligne de eksperimentelle data med teorimodellen, "Jordan sagde." Afkølingen er lige så effektiv som teorien forudsagde, og afkøling af alle tromlehovedtilstande opnås uden at ændre de eksperimentelle parametre. "

Forsøget udført af Jordan og hendes kolleger gav bemærkelsesværdige resultater, bekræfter deres teoretiske forudsigelser. Kølehastigheden målt af dem var hurtigere end den, der blev forudsagt af enkeltpartikelteori, men var i overensstemmelse med en kvantemængdeberegning.

"Resultaterne af vores undersøgelse er vigtige både fra et fundamentalt såvel som praktisk synspunkt, "Athreya Shankar, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Fra et grundlæggende perspektiv, køling af mekaniske oscillatorer tæt på deres kvantejordtilstand har været aktivt forfulgt i tre årtier nu. Mens det er lykkedes flere eksperimenter at afkøle en eller et par bevægelsestilstande tæt på jordtilstanden, samtidig afkøling af mange tilstande af en mellemstor eller stor oscillator har været en udfordring. Ved at afkøle alle trommehovedtilstande for store ionkrystaller tæt på deres kvantejordtilstand, vi har forberedt en mesoskopisk fanget ionoscillator, hvis bevægelse er blevet næsten frosset i det omfang, grundlæggende tilladt af kvantemekanik. "

Ifølge Athreya, undersøgelsen udført af ham og hans kolleger kunne også have vigtige praktiske konsekvenser. EIT -køling gør deres fangede ionkrystal til en forbedret platform til kvantesimuleringer og sensing, reducerer den termiske bevægelse i baggrunden markant, der typisk hindrer udførelsen af ​​videnskabsprotokoller.

"Succesen med vores eksperiment viser, at EIT -køling er en robust teknik, der ikke kun er begrænset til en eller et par ioner i en fælde, "Athreya forklarede." Teknikens succes med hundredvis af ioner i udfordrende omgivelser som Penning-fælden er en opmuntrende indikation på, at store ionkrystaller i andre fangede ionforsøg muligvis også effektivt kan afkøles og bruges til sondering af fundamentale og mangekroppige kvantefysik."

Forskerne arbejder i øjeblikket på at bruge deres ionkrystal som en følsom detektor for elektriske felter. Meget svage elektriske felter kan produceres af nogle kandidater til mørkt stof, såsom skjulte fotoner og aksioner, derfor kan deres apparat hjælpe med at søge efter mørkt stof.

"Vi vil også vende tilbage til ingeniørinteraktioner mellem vores ioner for at simulere kompliceret fysik i laboratoriet, der er svært eller umuligt at modellere på en klassisk (ikke-kvante) computer-såkaldt 'kvantesimulering', "Gilmore fortalte Phys.org." I begge sysler, EIT -køling vil spille en vigtig rolle for os. Til det elektriske feltføleeksperiment bruger vi bevægelsen af ​​ionerne forårsaget af de elektriske kræfter, der udøves på dem, til at foretage vores måling. "

Ioner har termisk bevægelse, som afhænger af deres temperatur, og dette kan være en kilde til støj i forsøg. Forskerne fandt ud af, at EIT -køling kan reducere dette baggrundsignal forårsaget af termisk bevægelse, forbedring og forenkling af målinger. I et tidligere studie, forskerne med succes opdagede svage elektriske felter ved hjælp af en metode, der ligner den, der blev brugt til deres temperaturmåling. I fremtiden, det samme apparat kunne bruges til at detektere endnu svagere elektriske felter, samt potentielt at søge efter ny fysik.

"Eksperimenter i kvantesimuleringsstil drager også fordel af denne reducerede termiske støj, "Forklarede Gilmore." Sådanne forsøg er afhængige af at producere skrøbelige kvantekorrelationer, eller links, mellem ionerne. Disse links kan blive afbrudt eller ødelagt af termisk bevægelse, hvilket forringer kvaliteten af ​​simuleringen. Så igen, Det er nyttigt at komme til lavere temperaturer. "

© 2019 Science X Network