Группа ученых из МФТИ, Российского квантового центра, ФИАН, МГТУ имени Баумана и НИЯУ МИФИ экспериментально определила длину волны, при которой поляризуемость атома тулия в основном состоянии равна нулю. Лазер с таким излучением практически не взаимодействует с атомами тулия в решетке. Результаты работы могут найти применение в квантовых симуляторах, оптических ловушках и прецизионных измерениях.
Исследование российских ученых направлено на разработку квантового симулятора на атомах тулия в оптической решетке — периодической структуре из атомов, сформированной с помощью пересекающихся лазерных лучей. Тулий — это редкоземельный металл (Tm), который в экспериментах используют облаком отдельных атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Такие атомы рассматриваются учеными как управляемые квантовые объекты.
В симуляторе важно уметь перемещать атомы внутри решетки. Это можно делать с помощью оптического пинцета — сильно сфокусированного лазерного луча, который захватывает и переносит атом. Важно, чтобы пинцет не задевал другие атомы, которые уже находятся на своих местах. Иными словами, нужно научиться переносить один атом светом так, чтобы остальные атомы этот свет почти «не замечали». Возникает вопрос: как можно с помощью света переносить атом, не задев другой?
Ответом является подбор такого излучения оптического пинцета, для которого у атомов в решетке поляризуемость равна нулю. Обычно свет может удерживать или отталкивать атомы, а на этой специальной длине волны атомы его действие «не ощущают». При этом атом, который планируют передвинуть, нужно будет перевести в возбужденное состояние, в котором он будет чувствовать излучение пинцета. Таким образом пинцет будет захватывать и передвигать специально подготовленный атом, а остальные не будут на это реагировать. Ученые из РКЦ и МФТИ с коллегами из других центров поставили задачу найти такую длину волны, при которой поляризуемость атома тулия становится равной нулю. Статья опубликована в журнале Physical Review A.
Исследователи использовали сочетание теоретического расчета и экспериментальных проверок. Сначала они рассчитали, как должна меняться поляризуемость атома тулия около 576 нанометров. Так они предсказали длину волны (около 576 нанометров), при которой поляризуемость становится нулевой.
Затем физики охладили атомы тулия и поместили их в оптическую дипольную ловушку, созданную двумя лазерными пучками: один был вспомогательным, а второй имел длину волны около 576 нанометров. Меняя длину волны и поляризацию этого света, они смотрели, как меняется поведение атомов в ловушке. Чтобы определить поляризуемость, исследователи измеряли частоты колебаний атомного облака в ловушке.
«Главная сложность была как раз в том, что мы искали ноль. Где-то поляризуемость была положительной, и атомы удерживались, а где-то отрицательной, и атомов в этой области ловушки не было видно вообще. Поэтому использовалось сразу два метода детектирования поляризуемости — чтобы компенсировать отсутствие данных в областях, где поляризуемость отрицательная, и полностью восстановить картину»,— пояснил Алексей Акимов, доцент кафедры Российского квантового центра в МФТИ.
Далее ученые напрямую проверили точку нулевой поляризуемости: вблизи нужной длины волны атомы переставали удерживаться желтым лазерным пучком или даже выталкивались из области ловушки. Оказалось, что при длине волны 575,650 нанометра атомы исчезали из пересеченной оптической ловушки, что прямо показало переход к отрицательной поляризуемости. Проще говоря, свет перестал удерживать атомы и начал создавать для них отталкивающий потенциал.
Таким образом исследователи выявили для атома тулия длину волны с нулевой поляризуемостью. Физики уточнили ее величину с высокой точностью — 575,646 нанометра с неопределенностью до ±0,004 нанометра.
«Это означает, что мы знаем, куда настраивать лазер в будущем, и можем построить интересную нам машину. Точность до третьего знака после запятой нужна нам для того, чтобы знать, что даже если мы не абсолютно точно попали в ноль, возможная остаточная поляризуемость будет много меньше, чем любые остальные, используемые для удержания атомов, а значит, не будет мешать»,— пояснил Алексей Акимов.
Исследование важно не только как точное измерение одной длины волны. Оно дает физикам новый инструмент управления светом. Это открывает путь к более тонкому и селективному управлению атомами в оптических ловушках и решетках.