Un'illustrazione di cosa succede al cristallo ionico quando viene raffreddato con l'EIT. Per semplicità, vengono mostrati solo gli ioni nella riga centrale del cristallo, ma si dovrebbe immaginare uno ione ad ogni intersezione nel reticolo. Inizialmente, il cristallo si piega su e giù come una vibrante pelle di tamburo. Questo è un esempio di modalità drumhead. Quindi, i ricercatori applicano i laser di raffreddamento (linee rosse). A causa dell'allineamento dei laser, la direzione del raffreddamento è perpendicolare al piano del cristallo, parallela alla direzione del movimento della testa del tamburo. Dopo il raffreddamento, l'ampiezza del movimento della pelle del tamburo del cristallo è molto piccola e nella figura è raffigurata come quasi piatta. Credito:Jordan et al.
I ricercatori hanno cercato di raffreddare gli oscillatori meccanici macroscopici fino al loro stato fondamentale per diversi decenni. Ciò nonostante, studi passati hanno semplicemente raggiunto il raffreddamento di alcuni modi vibrazionali selezionati di tali oscillatori.
Un team di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Colorado Boulder ha recentemente condotto uno studio sul raffreddamento vicino allo stato fondamentale di cristalli di ioni intrappolati bidimensionali (2-D) con oltre 100 ioni. Il successo del loro esperimento di raffreddamento pone le basi per migliori simulazioni quantistiche e rilevamento con array 2-D di centinaia di ioni intrappolati all'interno di una trappola di Penning.
Le trappole Penning sono dispositivi in grado di immagazzinare particelle cariche applicando un forte campo magnetico. Questi dispositivi possono controllare cristalli da decine a centinaia di ioni, una qualità che li rende simulatori quantistici versatili. Nel loro studio, i ricercatori del NIST e dell'UC Boulder sono riusciti a raffreddare tutte le modalità "tamburo" di un sottile cristallo 2-D con oltre 150 berillio (Be + ) ioni, immagazzinato all'interno di una trappola Penning.
"Abbiamo utilizzato il raffreddamento laser Doppler per raffreddare gli ioni vicino al limite di raffreddamento Doppler. A queste basse temperature, gli ioni formano naturalmente un cristallo di Coulomb, "Elena Giordano, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Un cristallo con ioni N ha modalità di movimento 3N. Le modalità 2N sono nel piano del cristallo e sembrano vortici o distorsioni, Le modalità N sono perpendicolari al piano del cristallo e assomigliano alle modalità della pelle del tamburo. Per le simulazioni quantistiche, accoppiamo queste modalità della pelle agli spin degli ioni."
I ricercatori hanno osservato che abbassare la temperatura delle modalità della testa del tamburo al di sotto del limite Doppler potrebbe migliorare le simulazioni quantistiche dei modelli di spin 2-D. Hanno quindi deciso di implementare un'efficiente tecnica di raffreddamento sub-Doppler, che consentirebbe loro di raffreddare gli ioni alla temperatura più bassa possibile.
"Recentemente, Regina Lechner et al. presso l'Università di Innsbruck, Austria, stringhe lineari raffreddate di 18 ioni con raffreddamento a trasparenza indotta elettromagneticamente (EIT), " Jordan ha detto. "Questo ci ha incoraggiato a pensare di applicare questa tecnica a sistemi bidimensionali con centinaia di ioni".
Ispirato da ricerche passate svolte presso l'Università di Innsbruck, Jordan e i suoi colleghi Athreya Shankar, Arghavan Safavi-Naini e Murray Holland di JILA hanno iniziato a studiare teoricamente la possibilità che l'EIT raffreddi tutte le modalità della testa del tamburo di un cristallo ionico 2-D che ruota all'interno di una trappola di Penning. Presto scoprirono che la teoria esistente era insufficiente per descrivere il processo di raffreddamento di questo sistema e iniziarono così a sviluppare nuovi modelli.
"Athreya ha sviluppato nuovi modelli teorici e ha eseguito simulazioni che hanno dimostrato che il raffreddamento di tutte le modalità della testa del tamburo dovrebbe essere possibile senza modificare i parametri sperimentali per il raffreddamento, ciò significa che non dovrebbero essere necessarie variazioni di frequenza o variazioni di potenza del laser, " ha spiegato Jordan. "Sorprendentemente, la teoria prevede che il raffreddamento di un cristallo multi-ione dovrebbe essere più veloce del raffreddamento di un singolo ione. I nostri risultati ci hanno incoraggiato a implementare il raffreddamento EIT e gli esperimenti successivi hanno mostrato che il raffreddamento non solo funziona molto bene nelle simulazioni, ma anche nella nostra vera trappola Penning."
L'esperimento delineato nello studio è stato condotto da Jordan insieme ai suoi colleghi Kevin Gilmore, Justin Bohnet e John Bollinger, nel loro laboratorio al NIST. Gli ioni di berillio sono stati confinati lungo l'asse della loro trappola di Penning da un campo elettrico statico, nonché da un forte campo magnetico (4,5 T), parallela all'asse della trappola. Il moto degli ioni nel campo magnetico porta ad una forza di Lorentz, facendo ruotare gli ioni nella trappola, pur rimanendo confinato radialmente.
"Per il raffreddamento dell'EIT, abbiamo usato due laser per accoppiare gli stati atomici nel berillio in un modo che porta all'interferenza quantistica e crea un cosiddetto "stato oscuro" che non si accoppia ai laser e può essere utilizzato per il raffreddamento EIT, " ha spiegato Jordan. "I due raggi entrano dal lato con un angolo di ± 10 gradi rispetto al piano del cristallo".
Un taglio attraverso la trappola Penning usata dai ricercatori, con raggi laser per il raffreddamento e la misurazione della temperatura. Credito:Jordan et al.
La rotazione degli ioni nella trappola di Penning provoca uno spostamento Doppler variabile nel tempo delle frequenze laser. Per ottenere un raffreddamento efficiente nonostante questo spostamento Doppler, i ricercatori hanno depotenziato i laser dalla risonanza atomica maggiore del massimo spostamento Doppler e hanno regolato le potenze del laser in modo che la condizione di raffreddamento dell'EIT potesse essere soddisfatta.
Hanno misurato la temperatura degli ioni utilizzando una coppia aggiuntiva di raggi laser, che accoppiava gli spin degli ioni al loro movimento della pelle del tamburo. Questo accoppiamento porta a un segnale di sfasamento dello spin che può essere misurato e utilizzato per estrarre la temperatura degli ioni.
"Dopo 200 micro secondi di raffreddamento EIT, tutte le modalità della testa del tamburo del cristallo ionico vengono raffreddate vicino allo stato fondamentale, come possiamo vedere confrontando i dati sperimentali con il modello teorico, " Jordan ha detto. "Il raffreddamento è efficiente come previsto dalla teoria e il raffreddamento di tutte le modalità della testa del tamburo viene ottenuto senza modificare i parametri sperimentali".
L'esperimento condotto da Jordan e dai suoi colleghi ha prodotto risultati notevoli, confermando le loro previsioni teoriche. La velocità di raffreddamento misurata da loro era più veloce di quella prevista dalla teoria delle singole particelle, ma era coerente con un calcolo quantistico a molti corpi.
"I risultati del nostro studio sono importanti sia da un punto di vista fondamentale che pratico, "Athreya Shankar, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Da un punto di vista fondamentale, il raffreddamento di oscillatori meccanici vicini al loro stato fondamentale quantistico è stato attivamente perseguito per tre decenni. Mentre diversi esperimenti sono riusciti a raffreddare uno o alcuni modi di movimento vicino allo stato fondamentale, raffreddare simultaneamente molte modalità di un oscillatore di medie o grandi dimensioni è rimasta una sfida. Raffreddando tutte le modalità del tamburo di grandi cristalli ionici vicino al loro stato fondamentale quantistico, abbiamo preparato un oscillatore mesoscopico di ioni intrappolati il cui movimento è stato quasi congelato nella misura fondamentalmente consentita dalla meccanica quantistica".
Secondo Atreia, lo studio condotto da lui e dai suoi colleghi potrebbe avere anche importanti risvolti pratici. Il raffreddamento EIT trasforma il loro cristallo di ioni intrappolati in una piattaforma migliorata per simulazioni e rilevamento quantistici, riducendo significativamente il movimento termico di fondo che in genere ostacola le prestazioni dei protocolli scientifici.
"Il successo del nostro esperimento mostra che il raffreddamento EIT è una tecnica robusta che non si limita solo a uno o pochi ioni in una trappola, " ha spiegato Athreya. "Il successo della tecnica con centinaia di ioni in un ambiente impegnativo come la trappola di Penning è un'indicazione incoraggiante che i grandi cristalli di ioni in altri esperimenti di ioni intrappolati potrebbero anche essere raffreddati in modo efficiente e utilizzati per sondare i fondamentali e molti corpi fisica quantistica."
I ricercatori stanno attualmente lavorando per utilizzare il loro cristallo ionico come rivelatore sensibile per i campi elettrici. Campi elettrici molto deboli possono essere prodotti da alcuni candidati alla materia oscura, come fotoni e assioni nascosti, quindi il loro apparato potrebbe aiutare nella ricerca della materia oscura.
"Torneremo anche alle interazioni ingegneristiche tra i nostri ioni per simulare la fisica complicata in laboratorio che è difficile o impossibile da modellare su un computer classico (non quantistico), la cosiddetta "simulazione quantistica", " Gilmore ha detto a Phys.org. "In entrambe le attività, Il raffreddamento dell'EIT svolgerà un ruolo importante per noi. Per l'esperimento di rilevamento del campo elettrico usiamo il movimento degli ioni causato dalle forze elettriche esercitate su di essi per effettuare la nostra misurazione".
Gli ioni hanno movimento termico, che dipende dalla loro temperatura, e questa può essere una fonte di rumore negli esperimenti. I ricercatori hanno scoperto che il raffreddamento EIT può ridurre questo segnale di fondo causato dal movimento termico, migliorare e semplificare le misurazioni. In uno studio precedente, i ricercatori hanno rilevato con successo campi elettrici deboli utilizzando un metodo simile a quello utilizzato per la misurazione della temperatura. Nel futuro, lo stesso apparato potrebbe essere utilizzato per rilevare campi elettrici anche più deboli, così come potenzialmente per cercare nuova fisica.
"Anche gli esperimenti in stile simulazione quantistica beneficiano di questo rumore termico ridotto, " ha spiegato Gilmore. "Tali esperimenti si basano sulla produzione di fragili correlazioni quantistiche, o link, tra gli ioni. Questi collegamenti possono essere interrotti o distrutti dal movimento termico, che degrada la qualità della simulazione. Quindi di nuovo, arrivare a temperature più basse è utile."
© 2019 Scienza X Rete
