Наше пространственное чувство не выходит за пределы привычных трех измерений, но это не мешает ученым играть с тем, что находится за их пределами.
Физики Университета Райса раздвигают пространственные границы в новых экспериментах. Они научились управлять электронами в гигантских ридберговских атомах с такой точностью, что могут создавать «синтетические измерения», важные инструменты для квантового моделирования .
Команда Райса разработала метод создания ридберговских состояний ультрахолодных атомов стронция путем применения резонансных микроволновых электрических полей для объединения многих состояний. Состояние Ридберга возникает, когда один электрон в атоме энергетически поднимается до сильно возбужденного состояния, увеличивая свою орбиту, в результате чего атом становится в тысячи раз больше, чем обычно.
Ультрахолодные ридберговские атомы находятся примерно на миллионную долю градуса выше абсолютного нуля. Точно и гибко манипулируя движением электронов, исследователи Rice Quantum Initiative соединили решетчатые уровни Ридберга таким образом, чтобы имитировать аспекты реальных материалов. Эти методы также могут помочь реализовать системы, которые невозможно реализовать в реальном трехмерном пространстве, создав новую мощную платформу для квантовых исследований.
Физики Райса Том Киллиан, Барри Даннинг и Каден Хаззард, все участники инициативы, подробно описали исследование вместе с ведущим автором и аспирантом Сумьей Канунго в статье, опубликованной в Nature Communications . Исследование основано на предыдущей работе над атомами Ридберга, которую Киллиан и Даннинг впервые исследовали в 2018 году.
Атомы Ридберга обладают множеством регулярно расположенных квантовых энергетических уровней, которые могут быть связаны микроволнами, которые позволяют сильно возбужденному электрону перемещаться с уровня на уровень. Динамика в этом «синтетическом измерении» математически эквивалентна перемещению частицы между узлами решетки в реальном кристалле.
«В типичном физическом эксперименте средней школы можно увидеть линии излучения света от атомов, которые соответствуют переходам с одного энергетического уровня на другой», — сказал Хаззард, адъюнкт-профессор физики и астрономии, заложивший теоретическую основу исследования в нескольких предыдущих работах. документы. «Это можно увидеть даже с помощью очень примитивного спектрометра: призмы!
«Что здесь нового, так это то, что мы думаем о каждом уровне как о месте в пространстве», — сказал он. «Посылая разные длины волн света, мы можем соединить уровни. Мы можем сделать уровни похожими на частицы, которые просто перемещаются между точками в пространстве.
«Это трудно сделать со светом или электромагнитным излучением с нанометровой длиной волны, но мы работаем с миллиметровыми длинами волн, что технически значительно упрощает создание связей», — сказал Хаззард.
«Мы можем настроить взаимодействия, то, как частицы движутся, и зафиксировать всю важную физику гораздо более сложной системы», — сказал Киллиан, профессор физики и астрономии Райса и декан Школы естественных наук Висса.
«По-настоящему захватывающим будет, когда мы объединим несколько ридберговских атомов, чтобы создать взаимодействующие частицы в этом синтетическом пространстве», — сказал он. «Благодаря этому мы сможем делать физику, которую мы не можем смоделировать на классическом компьютере, потому что она очень быстро усложняется».
Исследователи продемонстрировали свои методы, создав одномерную решетку, известную как система Су-Шриффера-Хигера. Чтобы сделать это, они использовали лазеры для охлаждения атомов стронция и применили микроволны с чередованием слабой и сильной связи, чтобы создать правильный синтетический ландшафт. Второй набор лазеров использовался для возбуждения атомов до множества связанных высоколежащих ридберговских состояний.
По словам Киллиана, эксперимент показал, как частицы движутся через одномерную решетку или, в некоторых случаях, застывают на краях, даже если у них достаточно энергии для движения. Это относится к свойствам материала, которые можно описать с точки зрения топологии.
«Намного легче контролировать амплитуды связи при использовании миллиметровых волн для связи атомных состояний Ридберга», — сказал Канунго. «Когда мы получим эту одномерную решетку со всеми связями на месте, мы сможем попытаться увидеть, какая динамика может возникнуть в результате возбуждения ридберговского электрона в этом синтетическом пространстве».
«Использование квантового симулятора похоже на использование аэродинамической трубы для выделения небольших, но важных эффектов, которые вас интересуют, среди более сложной аэродинамики автомобиля или самолета», — сказал Киллиан. «Это становится важным, когда система управляется квантовой механикой, где, как только вы получаете больше, чем пару частиц и несколько степеней свободы, становится сложно описать, что происходит.
«Квантовые симуляторы — это один из легковесных продуктов, которые, по мнению людей, станут ранними полезными инструментами в результате инвестиций в квантовую информатику», — сказал он, отметив, что в этом эксперименте сочетаются методы, которые в настоящее время являются довольно стандартными в лабораториях, изучающих атомную энергетику. физика.
«Все технологии хорошо отработаны», — сказал он. «Можно даже представить, что это станет почти экспериментом с черным ящиком, который люди могут использовать, потому что отдельные части очень надежны».
