Atomų sukimas erdvėje ir laike


Atomų sukimas per erdvę ir laiką

Dviejuose eksperimentuose su itin šaltais atomais mokslininkai tyrinėjo skirtingų topologinių formų kraštovaizdį, kurį jie galėjo sukurti erdvėje ir laike. Kreditas: craiyon.com su Dina Genkina / JQI pakeitimais

Vienas iš įdomiausių kvantinių kompiuterių pritaikymo būdų bus nukreipti jų žvilgsnį į vidų, į pačias kvantines taisykles, kurios verčia juos pažymėti. Kvantiniai kompiuteriai gali būti naudojami imituojant pačią kvantinę fiziką ir galbūt net tyrinėjant sritis, kurių niekur gamtoje nėra.

Tačiau net ir nesant visiškai veikiančio didelio masto kvantinio kompiuterio, fizikai gali naudoti kvantinę sistemą, kurią jie gali lengvai valdyti, kad imituotų sudėtingesnę ar mažiau prieinamą sistemą. Itin šalti atomai – atomai, kurie atšaldomi iki temperatūros, šiek tiek aukštesnės už absoliutų nulį – yra pirmaujanti kvantinio modeliavimo platforma. Šiuos atomus galima valdyti lazerio spinduliai ir magnetinius laukus, ir įtikino atlikti kvantinio šokio rutiną, choreografuotą eksperimentuotojo. Taip pat gana lengva pažvelgti į jų kvantinę prigimtį naudojant didelės raiškos vaizdus, ​​​​kad būtų galima išgauti informaciją po to, kai jie baigia savo veiksmus.

Dabar mokslininkai iš JQI ir NSF Quantum Leap Challenge Institute for Robust Quantum Simulation (RQS), vadovaujami buvusio JQI podoktorantūros kolegos Mingwu Lu ir magistrantūros studento Grahamo Reido, išmokė savo itin šaltus atomus šokti naują šokį, papildydami didėjantį įrankių rinkinį. kvantinio modeliavimo. Per kelis tyrimus jie sulenkė savo atomus iš formos, apvyniodami savo kvantinius mechaninius sukimus erdvėje ir laike, o po to juos susiejo, kad sukurtų savotišką erdvės ir laiko kvantinį kliņģerį.

Jie suplanavo savo sukurtą vingiuotą erdvės ir laiko formą ir paskelbė savo rezultatus straipsnyje „Floquet Engineering Topological Dirac Bands“ žurnale. Fizinės apžvalgos laiškai praeitą vasarą. Tolesnio eksperimento metu jie stebėjo, kaip jų atomai pereina į skirtingas apvijų formas ir rado turtingą struktūrą, neprieinamą paprastiems, stacionariems atomams. Jie paskelbė šį rezultatą, pavadintą „Dinamiškai sukeltas simetrijos lūžis ir nepusiausvyros topologija 1D kvantinėje sistemoje“. Fizinės apžvalgos laiškai rugsėjį.

Apvijos, kurias jie tyrinėjo, yra susijusios su matematine topologijos sritimi – objektų klasifikavimu pagal juose esančių skylių skaičių. Spurgos yra topologiškai identiškos hula lankams ir kavos puodeliams, nes kiekvienas turi vieną kiaurymę. Tačiau spurgos skiriasi nuo akinių rėmelių, turinčių dvi skylutes, arba klinšelių, kuriuose yra trys.

Ši apgaulingai paprasta formų klasifikacija buvo stebėtinai įtakinga fizikoje. Jis paaiškino tokius dalykus kaip kvantinis Holo efektas, kuris sukuria tiksliai pakartojamą elektrinę varžą, naudojamą varžos standartui apibrėžti, ir topologiniai izoliatoriaikurie vieną dieną gali būti tvirtų kvantinių kompiuterių komponentai.

Fizikinėje aplinkoje – ar tai būtų kieti metalo gabalai, ar itin šalti atomai – topologija, kuri rūpi fizikai, iš tikrųjų nėra susijusi su tikrosios medžiagos forma. Atvirkščiai, tai yra kvantinių bangų, sklindančių medžiagoje, forma. Dažnai fizikai žiūri į vidinę kvantinių dalelių savybę, vadinamą sukimu, ir į tai, kaip ji vingiuoja, kai dalelė greitėja arba lėtėja kietame gabale.

Dauguma kietųjų medžiagų yra kristalai, sudaryti iš taisyklingo tinklelio, besitęsiančio visomis kryptimis pasikartojančiu vienodai išdėstytų atomų modeliu. Laisvai plaukiojantiems elektronams šio tinklelio viduje peršokimas nuo vieno atomo prie kito identiško neturi jokio skirtumo – kraštovaizdis yra visiškai toks pat, kiek mato akis. Panašus tinklelis pasirodo elektronų greičio peizaže – viskas gali pasikeisti, kai elektronas pradeda greitėti, tačiau esant tam tikram greičiui, kraštovaizdis atrodys taip pat, tarsi jis visai nejudėtų.

Tačiau padėtis ir greitis yra tik dvi elektrono savybės. Kitas yra sukimas. Sukas gali veikti šiek tiek nepriklausomai, kai keičiasi padėtis ir greitis, tačiau kai padėtis pasislenka viena vieta arba greitis pasislenka viena greičio „viete“, sukimasis turi likti nepakitęs – dar vienas kristale esančios simetrijos atspindys. Tačiau tarp dviejų vietų arba dviejų greičio „svetainių“ viskas vyksta. Apvijos forma, kurią sukinys ištraukia prieš grįždamas ten, kur prasidėjo, apibrėžia topologiją.

Kvantinio modeliavimo pasaulyje itin šalti atomai gali imituoti elektronus kristale. Kristalo vaidmenį atlieka lazeriai, sukuriantys pasikartojantį šviesos modelį, kad galėtų apsigyventi itin šaltiems atomams. Atomų vieta ir greitis taip pat pasikartoja, o atominiai sukimai atskleidė formas, kurios apibrėžia topologiją.

Vykdydamas vyniojimo eksperimentą, Lu ir jo laboratorijos draugai sukūrė dvimatį kristalą, bet ne įprastus dviejų matmenų popieriaus lapą. Vienas iš matmenų buvo erdvėje, kaip kryptis plonu siūlu, o kitas buvo laikas. Šiame lape, sudarytame iš erdvės ir laiko, jų atomų sukimasis kaip atomų funkcija išryškino keistą formą. greitis laiko-erdvės kristale.

Atomų sukimas per erdvę ir laiką

Dvi lazerinės konfigūracijos, kurias tyrėjai ritmiškai perjungė, kad apvyniotų savo atomus per erdvę ir laiką. Kreditas: Mingwu Lu / JQI

„Topologija apibrėžiama ant paviršių“, – sako JQI narys Ianas Spielmanas, pagrindinis tyrimų tyrėjas ir RQS tyrimų direktorius. “Vienas iš paviršių apibrėžiančių matmenų gali būti laikas. Tai teoriškai buvo žinoma jau kurį laiką, bet tik dabar bandoma eksperimentiškai.”

Norėdami sukurti paviršių, kuris vingiuotų tiek erdvėje, tiek laike, mokslininkai apšvietė lazerius iš dviejų krypčių ir radijo dažnio magnetinį lauką iš viršaus į savo debesį. itin šalti atomai. Lazeriai ir magnetinis laukas sujungti, kad būtų sukurtos didesnės ir mažesnės energijos sritys, nuo kurių atomai buvo nustumti arba link kurių buvo traukiami, kaip kiaušinių dėžutė, kurioje atomai galėtų gyventi. Ši dėžutė buvo savotiškos formos: vietoj dviejų eilių plyšių, kaip įprastoje tuzine, kurią rasite bakalėjos parduotuvėje, buvo tik viena eilutė. Kiekviena dėžutės anga buvo sudaryta iš dviejų antrinių angų (žr. paveikslėlį žemiau). Taip atsirado pasikartojantis į kristalą panašus raštas išilgai erdvės linijos.

Reguliuodama, kaip lazeriai ir magnetiniai laukai yra suderinti vienas su kitu, komanda galėjo perkelti visą modelį į šoną vienu antriniu lizdu. Tačiau jie jį pakeitė ne tik vieną kartą. Jie ritmingai purtė kiaušinių dėžutę pirmyn ir atgal. Šis ritmingas kratymas sukūrė a pasikartojantis modelis laikui bėgant, panašu į pasikartojantį kristalo branduolių erdvinį modelį.

Norėdami tai padaryti, jie turėjo įsitikinti, kad jų lazerinė kiaušinių dėžutė ir blykstės laikas yra tinkami. „Sunkiausia buvo tiesiog nustatyti tinkamą laiką“, – sako Grahamas Reidas, fizikos absolventas ir vienas iš šio darbo autorių. „Šis eksperimentas iš tikrųjų priklauso nuo labai tikslaus laiko dalykų, kurių iš anksto nežinote, todėl jums tereikia daug derinti.

Tačiau po daugybės koregavimo jie eksperimentiškai atvaizdavo atomų sukimąsi šiame laiko ir erdvės kristale. Jie nubrėžė apviją suktis kaip jis perėjo laiką ir erdvę, grįždamas ten, kur pradėjo. Tokiu būdu jie tiesiogiai išmatavo apvijų topologiją, kurią jie sukūrė.

Atlikę šį darbą, jie naudojo tą patį lazerio modelį, kad atliktų labai skirtingą su topologija susijusį eksperimentą. Užuot žiūrėję į erdvės ir laiko topologiją, jie sutelkė dėmesį tik į erdvinį matmenį. Šį kartą jie paruošė savo atomus įvairiais būdais: visi sukasi žemyn, visi sukasi aukštyn arba sumaišė.

Tai nebuvo natūralios, patogios atomų būsenos jų sukurtame lazerio piešinyje, ir galiausiai atomai nusistovi į natūralesnes būsenas – pusiausvyros būsenas. Tačiau pakeliui tyrėjai galėjo užfiksuoti kelių skirtingų topologinių formų fiksuotus kadrus – kai kurių tokių neatsirastų tik akimirksniu. Šie rezultatai atskleidė naujas paslaptis, kurias tyrėjai nori ištirti.

„Manau, kad būtų puiku atsakyti į du didelius klausimus“, – sako Spielmanas. “Pirma, erdvės ir laiko topologijos rezultatas iš tikrųjų veikė tik tiksliai sureguliavus laiką. Įdomu, ar yra būdas tai padaryti tvirtu. Antra, man įdomu sužinoti, kas atsitiks, jei topologija yra nesubalansuota. kai greitai persijungiame tarp įvairesnių topologinių būsenų.

Be Spielmano, kuris taip pat yra Nacionalinio standartų ir technologijų instituto bendradarbis, Reido ir Lu, kuris dabar dirba Atom Computing, straipsnių autoriai buvo Amilsonas Fritschas, buvęs JQI doktorantas, dabar dirbantis San Paulas Sao Carlosas ir Alina Piñeiro, JQI fizikos absolventė.

Daugiau informacijos:
Mingwu Lu ir kt., „Floquet Engineering Topological Dirac Bands“, Fizinės apžvalgos laiškai (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.040402

GH Reid ir kt., Dinamiškai sukeltas simetrijos lūžis ir nepusiausvyros topologija 1D kvantinėje sistemoje, Fizinės apžvalgos laiškai (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.123202

Citata: Atomų sukimas erdvėje ir laike (2023 m. sausio 23 d.), gautas 2023 m. sausio 23 d. iš https://phys.org/news/2023-01-atoms-space.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.