Лазерный мир

Физики создали треугольную решетку в синтетическом пространстве и населили ее атомами вырожденного ферми-газа. Для этого они облучали газ девятью разными лучами, возбуждая в атомах состояния с различными проекциями спина и передавая им дискретный импульс. Такие структуры позволят в будущем исследовать экзотические топологические эффекты. Работа опубликована в Physical Review Letters.

То или иное физическое явление считается понятым, если построенная теоретическая модель адекватно воспроизводит результаты эксперимента. Сами модели, в свою очередь, строятся на языке математики: координатных пространств, функций, дифференциальных уравнений и так далее. Математика универсальна: это значит, что одно и то же уравнение может быть применимо к разным физическим системам. На этом принципе основана работа квантовых симуляторов, в которых движения одного типа материи (например, холодных атомов в оптических ловушках) напоминает поведение другого типа материи (например, электронов в кристаллах).

Однако можно пойти дальше. Так, десять лет назад была предложена идея того, что сейчас принято называть синтетическими размерностями. В рамках ее физики предлагают рассматривать пространство параметров частиц (энергию, импульс, спин) в качестве аналога дополнительных координат и исследовать движения и взаимодействия объектов уже в этих дополнительных измерениях. Такой подход предлагает расширить возможности квантовых симуляций за пределы, накладываемые геометрией захвата частиц в ловушки. Мы уже рассказывали, как физики создали синтетические двумерные решетки в виде лестниц, придавая атомам рубидия разные импульсы с помощью двух лазеров.
Недавно Пол Лаурия (Paul Lauria) из Калифорнийского университета в Сан-Диего со своими американскими и британскими коллегами предложили использовать спин в качестве одной из размерности синтетического двумерного пространства. Им удалось заставить вырожденный ферми-газ заселять узлы синтетической двумерной треугольной решетки под воздействием лазерных лучей. Такая система в будущем позволит исследовать необычные топологические эффекты.
Физики проводили эксперимент с вырожденным газом атомов стронция-87 (фермионы). В начале каждого эксперимента они собирали его в оптическую дипольную ловушку и охлаждали до 50 нанокельвин, переводя в сильно вырожденный режим с температурой, почти в три раза меньшей, чем температура Ферми. Ученые готовили газ сильно (около 80 процентов) поляризованным относительно проекции ядерного углового момента в основном состоянии 1S0 (F=9/2).

Всего авторы задействовали три подуровня: mF = −9/2 (X), −7/2 (Y), −5/2 (Z), которые обладали разной энергией из-за динамического эффекта Штарка. Все три уровня можно связать напрямую с помощью микроволнового излучения, а можно — используя двухфотонные рамановские (комбинационные) переходы в оптическом диапазоне. Последнее не только способно изменить проекцию полного момента, но и передать атому импульс.
Чтобы таким способом создать в обратном пространстве двумерную решетку состояний, физики использовали три комбинации из трех лазерных лучей с частотами, нужным образом отстроенными от резонанса 1S0 (F=9/2)→3P1 (F=9/2). Три тройки лучей облучали газ с трех разных сторон. Отстройки частот были выбраны таким образом, чтобы сформировать в импульсном пространстве треугольную решетку, элементарную ячейку которой образует триплет X, Y, Z.

(a) Схема облучения вырожденного ферми-газа (DFG), запертого в оптической дипольной ловушке (ODT), тремя тройками лучей. (b) Триплет спиновых состояний, сопровождаемый передачей импульса и связанный низкочастотными лучами из каждой тройки, обозначенными красным цветом. (c) Треугольная решетка в импульсном пространстве. (d) Схема уровней и используемых переходов.

Чтобы атомы активнее заселяли решетку состояний, физики создавали синтетическую силу, действовавшую в одном из направлений импульсного пространства, с помощью небольшой частотной развертки у соответствующей тройки лучей. Они варьировали время развертки, которое выражалось в итоговом частотном сдвиге, заданном в единицах энергии отдачи. Каждый эксперимент заканчивался времяпролетной визуализацией через фотографирование. Поскольку импульсы атомов были распределены по узлам синтетической решетки, абсорбционное изображение позволило увидеть ее напрямую.

Экспериментальная визуализация синтетических решеток для различного времени развертки. Первый ряд соответствует полной картине, второй – симуляции, остальные ряды – данные, собранные только по отдельным состояниям триплета.

Авторы показали, что их решетка может быть сведена к другим синтетическим системам с помощью выключения некоторых из лучей. Важным свойством полученных структур стала возможность нарушения симметрии относительно обращения времени при циклическом переходе между состояниями триплета. Для этого понадобится правильно настроить фазы лазерных лучей. В этом случае синтетическая решетка превратится в изолятор Черна, в котором можно будет исследовать дробный эффект Холла.
Синтетическими бывают не только пространства, но и поля. Недавно мы писали про то, как таким способом удалось заставить звук преломляться отрицательно.
Марат Хамадеев

Источник: https://nplus1.ru/news/2022/06/30/synthetic-lattice