En illustration av vad som händer med jonkristallen när den är EIT-kyld. För enkelheten, endast jonerna i kristallens mittrad visas, men man bör föreställa sig en jon vid varje skärning i gittret. Initialt, kristallen böjer sig upp och ner som ett vibrerande trumskinn. Detta är ett exempel på ett trumskinnsläge. Sedan, forskarna använder kyllasrarna (röda linjer). På grund av inriktningen av lasrarna, kylningsriktningen är vinkelrät mot kristallplanet, parallellt med riktningen för trumskinnets rörelse. Efter kylningen är amplituden för kristallens trumskinnsrörelse mycket liten och i figuren visas den som nästan platt. Kredit:Jordan et al.
Forskare har försökt kyla ner makroskopiska mekaniska oscillatorer till deras marktillstånd i flera decennier. Ändå, Tidigare studier har bara uppnått kylningen av ett fåtal utvalda vibrationslägen hos sådana oscillatorer.
Ett team av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder har nyligen genomfört en studie som undersöker den nära marktillståndskylningen av tvådimensionella (2-D) fångade-jonkristaller med över 100 joner. Framgången med deras kylningsexperiment lägger grunden för förbättrade kvantsimuleringar och avkänning med 2D-matriser av hundratals joner fångade inuti en Penning-fälla.
Penningfällor är enheter som kan lagra laddade partiklar genom att applicera ett starkt magnetfält. Dessa enheter kan styra kristaller av tiotals till hundratals joner, en kvalitet som gör dem till mångsidiga kvantsimulatorer. I deras studie, forskarna vid NIST och UC Boulder lyckades kyla alla "trumskinns"-lägen i en tunn 2D-kristall med över 150 beryllium (Be + ) joner, förvaras i en Penning-fälla.
"Vi använde Doppler-laserkylning för att kyla jonerna nära Doppler-kylningsgränsen. Vid dessa låga temperaturer, jonerna bildar naturligt en Coulomb-kristall, "Elena Jordan, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "En kristall med N-joner har 3N rörelselägen. 2N-lägena är i kristallplanet och ser ut som virvlar eller förvrängningar, N lägen är vinkelräta mot kristallplanet och ser ut som trumskinnslägen. För kvantsimuleringar, vi kopplar dessa trumskinnslägen till jonernas snurr."
Forskarna observerade att en sänkning av temperaturen i trumskinnslägen under dopplergränsen kan förbättra kvantsimuleringar av 2D-spinmodeller. De satte sig därför för att implementera en effektiv sub-Doppler-kylningsteknik, vilket skulle tillåta dem att kyla jonerna till lägsta möjliga temperatur.
"Nyligen, Regina Lechner et al. vid universitetet i Innsbruck, Österrike, kylda linjära strängar på 18 joner med elektromagnetiskt inducerad transparens (EIT) kylning, ", sa Jordan. "Detta uppmuntrade oss att tänka på att tillämpa denna teknik på tvådimensionella system med hundratals joner."
Inspirerad av tidigare forskning utförd vid universitetet i Innsbruck, Jordan och hennes kollegor Athreya Shankar, Arghavan Safavi-Naini och Murray Holland vid JILA började teoretiskt studera möjligheten att EIT kyler alla trumskinnslägen hos en 2-D jonkristall som roterar inuti en Penning-fälla. De upptäckte snart att befintlig teori var otillräcklig för att beskriva kylprocessen i detta system och började därför utveckla nya modeller.
"Athreya utvecklade nya teorimodeller och körde simuleringar som visade att kylning av alla trumskinnslägen borde vara möjlig utan att ändra de experimentella parametrarna för kylningen, det betyder att inga frekvensskiftningar eller lasereffektvariationer bör krävas, " förklarade Jordan. "Överraskande nog, teorin förutspår att kylning av en multijonkristall bör vara snabbare än kylning av en enskild jon. Våra resultat uppmuntrade oss att implementera EIT-kylning och experimenten visade senare att kylningen inte bara fungerar mycket bra i simuleringarna, men också i vår riktiga Penning-fälla."
Experimentet som beskrivs i studien utfördes av Jordan tillsammans med hennes kollegor Kevin Gilmore, Justin Bohnet och John Bollinger, i deras labb på NIST. Berylliumjoner var begränsade längs axeln av deras Penning-fälla av ett statiskt elektriskt fält, såväl som av ett starkt magnetfält (4,5 T), parallellt med fällaxeln. Jonernas rörelse i magnetfältet leder till en Lorentzkraft, får jonerna att rotera i fällan, medan den förblir radiellt begränsad.
"För EIT-kylning, vi använde två lasrar för att koppla atomtillstånden i Beryllium på ett sätt som leder till kvantinterferens och skapar ett så kallat "mörkt tillstånd" som inte kopplas till lasrarna och som kan användas för EIT-kylning, " Jordan förklarade. "De två strålarna kommer in från sidan i en vinkel på ±10 grader i förhållande till kristallplanet."
Ett snitt genom Penning-fällan som användes av forskarna, med laserstrålar för kylning och temperaturmätning. Kredit:Jordan et al.
Rotationen av joner i Penning-fällan orsakar en tidsvarierande dopplerförskjutning av laserfrekvenserna. För att uppnå effektiv kylning trots detta Dopplerskifte, forskarna avstämda lasrarna från atomresonansen större än den maximala Doppler-förskjutningen och justerade lasereffekterna så att EIT-kylningsvillkoret kunde uppfyllas.
De mätte temperaturen på jonerna med hjälp av ytterligare ett par laserstrålar, som kopplade jonernas spinn till deras trumskinnsrörelse. Denna koppling leder till en spindefasningssignal som kan mätas och användas för att extrahera jonernas temperatur.
"Efter 200 mikrosekunders EIT-kylning kyls alla trumskinnslägen av jonkristallen nära marktillståndet, som vi kan se genom att jämföra experimentella data med teorimodellen, " sade Jordan. "Kylningen är lika effektiv som teorin förutspådde och kylning av alla trumskinnslägen uppnås utan att ändra experimentparametrarna."
Experimentet som utfördes av Jordan och hennes kollegor gav anmärkningsvärda resultat, bekräftar sina teoretiska förutsägelser. Nedkylningshastigheten som mättes av dem var snabbare än den som förutspåddes av singelpartikelteorin, men överensstämde med en kvantmångkroppsberäkning.
"Resultaten av vår studie är viktiga ur både en grundläggande och praktisk synvinkel, "Athreya Shankar, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "Ur ett grundläggande perspektiv, kylning av mekaniska oscillatorer nära deras kvantgrundtillstånd har aktivt eftersträvats i tre decennier nu. Medan flera experiment har lyckats kyla ett eller några rörelselägen nära marktillståndet, Att samtidigt kyla många lägen av en medelstor eller stor oscillator har förblivit en utmaning. Genom att kyla alla trumskinnslägen för stora jonkristaller nära deras kvantgrundtillstånd, vi har förberett en mesoskopisk fångade jonoscillator vars rörelse nästan har frusit i den utsträckning som i grunden tillåts av kvantmekaniken."
Enligt Athreya, den studie som utförts av honom och hans kollegor kan också få viktiga praktiska konsekvenser. EIT-kylning förvandlar deras fångade jonkristall till en förbättrad plattform för kvantsimuleringar och avkänning, avsevärt minskar den termiska bakgrundsrörelsen som vanligtvis hindrar prestanda för vetenskapliga protokoll.
"Framgången med vårt experiment visar att EIT-kylning är en robust teknik som inte bara är begränsad till en eller några få joner i en fälla, "Förklarade Athreya. "Framgången med tekniken med hundratals joner i en utmanande miljö som Penning-fällan är en uppmuntrande indikation på att stora jonkristaller i andra experiment med fångade joner också skulle kunna kylas effektivt och användas för att sondera fundamentala och många kroppar. kvantfysik."
Forskarna arbetar just nu med att använda sin jonkristall som en känslig detektor för elektriska fält. Mycket svaga elektriska fält kan alstras av vissa mörk materiekandidater, som dolda fotoner och axioner, därför kunde deras apparater hjälpa till i sökandet efter mörk materia.
"Vi kommer också att återgå till tekniska interaktioner mellan våra joner för att simulera komplicerad fysik i labbet som är svår eller omöjlig att modellera på en klassisk (icke-kvantum) dator - så kallad 'kvantsimulering', " berättade Gilmore för Phys.org. "I båda sysslorna, EIT-kylning kommer att spela en viktig roll för oss. För det elektriska fältavkänningsexperimentet använder vi jonernas rörelse som orsakas av de elektriska krafterna som utövas på dem för att göra vår mätning."
Joner har termisk rörelse, som beror på deras temperatur, och detta kan vara en källa till buller i experiment. Forskarna fann att EIT-kylning kan minska denna bakgrundssignal orsakad av termisk rörelse, förbättra och förenkla mätningar. I en tidigare studie, forskarna upptäckte framgångsrikt svaga elektriska fält med en metod liknande den som användes för deras temperaturmätning. I framtiden, samma apparat skulle kunna användas för att upptäcka ännu svagare elektriska fält, samt potentiellt att söka efter ny fysik.
"Experiment i kvantsimuleringsstil drar också nytta av detta reducerade termiska brus, ", förklarade Gilmore. "Sådana experiment bygger på att producera bräckliga kvantkorrelationer, eller länkar, mellan jonerna. Dessa länkar kan störas eller förstöras av termiska rörelser, vilket försämrar kvaliteten på simuleringen. Så igen, att komma till lägre temperaturer är till hjälp."
© 2019 Science X Network
