Onderzoekers proberen al tientallen jaren macroscopische mechanische oscillatoren af ​​te koelen tot hun grondtoestand. Niettemin, eerdere studies hebben slechts de koeling van een paar geselecteerde vibratiemodi van dergelijke oscillatoren bereikt.

Een team van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de koeling in de buurt van de grondtoestand van tweedimensionale (2D) opgesloten-ionenkristallen met meer dan 100 ionen. Het succes van hun koelexperiment legt de basis voor verbeterde kwantumsimulaties en detectie met 2D-arrays van honderden ionen die zijn opgesloten in een Penning-val.

Penningtraps zijn apparaten die geladen deeltjes kunnen opslaan door een sterk magnetisch veld aan te leggen. Deze apparaten kunnen kristallen van tientallen tot honderden ionen aansturen, een kwaliteit die ze veelzijdige kwantumsimulators maakt. In hun studie hebben de onderzoekers van NIST en UC Boulder zijn erin geslaagd om alle 'drumhead'-modi van een dun 2D-kristal te koelen met meer dan 150 beryllium (Be ⁺ ) ionen, opgeslagen in een Penning-val.

"We gebruikten Doppler-laserkoeling om de ionen dicht bij de Doppler-koellimiet te koelen. Bij deze lage temperaturen, de ionen vormen van nature een Coulomb-kristal, "Elena Jordanië, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Een kristal met N-ionen heeft 3N-bewegingsmodi. De 2N-modi bevinden zich in het kristalvlak en zien eruit als wervelingen of vervormingen, N modi staan ​​loodrecht op het kristalvlak en zien eruit als drumvelmodi. Voor kwantumsimulaties, we koppelen deze drumvel-modi aan de spins van de ionen."

De onderzoekers merkten op dat het verlagen van de temperatuur van drumvelmodi onder de Doppler-limiet de kwantumsimulaties van 2D-spinmodellen zou kunnen verbeteren. Daarom wilden ze een efficiënte sub-Doppler-koeltechniek implementeren, waardoor ze de ionen tot de laagst mogelijke temperatuur konden koelen.

"Onlangs, Regina Lechner et al. aan de universiteit van Innsbruck, Oostenrijk, gekoelde lineaire reeksen van 18 ionen met elektromagnetisch geïnduceerde transparantie (EIT) koeling, Jordan zei. "Dit moedigde ons aan om na te denken over het toepassen van deze techniek op tweedimensionale systemen met honderden ionen."

Geïnspireerd door eerder onderzoek aan de Universiteit van Innsbruck, Jordan en haar collega's Athreya Shankar, Arghavan Safavi-Naini en Murray Holland bij JILA begonnen theoretisch de mogelijkheid te bestuderen van EIT-koeling van alle drumvelmodi van een 2D-ionkristal dat in een Penning-val draait. Ze kwamen er al snel achter dat de bestaande theorie onvoldoende was om het koelproces van dit systeem te beschrijven en begonnen daarom nieuwe modellen te ontwikkelen.

"Athreya ontwikkelde nieuwe theoriemodellen en voerde simulaties uit die aantoonden dat koeling van alle drumvelmodi mogelijk zou moeten zijn zonder de experimentele parameters voor de koeling te veranderen, dat betekent dat er geen frequentieverschuivingen of variaties in het laservermogen nodig zijn, Jordan legde uit. "Verrassend genoeg theorie voorspelt dat het afkoelen van een kristal met meerdere ionen sneller zou moeten zijn dan het afkoelen van een enkel ion. Onze resultaten moedigden ons aan om EIT-koeling te implementeren en de experimenten later toonden aan dat de koeling niet alleen heel goed werkt in de simulaties, maar ook in onze echte Penningval."

Het experiment dat in de studie wordt geschetst, werd uitgevoerd door Jordan samen met haar collega's Kevin Gilmore, Justin Bohnet en John Bollinger, in hun lab bij NIST. Beryllium-ionen werden opgesloten langs de as van hun Penning-val door een statisch elektrisch veld, evenals door een sterk magnetisch veld (4,5 T), evenwijdig aan de trapas. De beweging van de ionen in het magnetische veld leidt tot een Lorentzkracht, waardoor de ionen in de val roteren, terwijl ze radiaal beperkt blijven.

"Voor EIT-koeling, we hebben twee lasers gebruikt om de atomaire toestanden in Beryllium te koppelen op een manier die leidt tot kwantuminterferentie en een zogenaamde 'donkere toestand' creëert die niet koppelt aan de lasers en kan worden gebruikt voor EIT-koeling, Jordan legde uit. "De twee stralen komen van opzij in een hoek van ±10 graden ten opzichte van het kristalvlak."

De rotatie van ionen in de Penning-trap veroorzaakt een in de tijd variërende Doppler-verschuiving van de laserfrequenties. Om ondanks deze Doppler-verschuiving een efficiënte koeling te bereiken, de onderzoekers ontstemden de lasers van de atomaire resonantie die groter was dan de maximale Doppler-verschuiving en pasten de laservermogens aan zodat aan de EIT-koelconditie kon worden voldaan.

Ze maten de temperatuur van de ionen met een extra paar laserstralen, die de spins van de ionen koppelde aan hun trommelvelbeweging. Deze koppeling leidt tot een spin-de-faseringssignaal dat kan worden gemeten en gebruikt om de temperatuur van de ionen te extraheren.

"Na 200 microseconden EIT-koeling zijn alle drumvelmodi van het ionkristal afgekoeld tot dicht bij de grondtoestand, zoals we kunnen zien door de experimentele gegevens te vergelijken met het theoriemodel, Jordan zei. "De koeling is zo efficiënt als de theorie voorspelde en de koeling van alle drumvelmodi wordt bereikt zonder de experimentele parameters te veranderen."

Het experiment van Jordan en haar collega's leverde opmerkelijke resultaten op, bevestiging van hun theoretische voorspellingen. De door hen gemeten afkoelingssnelheid was sneller dan voorspeld door de theorie van enkelvoudige deeltjes, maar was consistent met een quantum veel-lichaamsberekening.

"De resultaten van onze studie zijn belangrijk vanuit zowel een fundamenteel als praktisch oogpunt, "Athreya Shankar, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Vanuit een fundamenteel perspectief, Het koelen van mechanische oscillatoren in de buurt van hun kwantumgrondtoestand wordt nu al drie decennia actief nagestreefd. Hoewel verschillende experimenten erin zijn geslaagd een of enkele bewegingsmodi dicht bij de grondtoestand af te koelen, het gelijktijdig koelen van vele modi van een middelgrote of grote oscillator is een uitdaging gebleven. Door alle drumvelmodi van grote ionenkristallen dicht bij hun kwantumgrondtoestand te koelen, we hebben een mesoscopische ingesloten ionenoscillator gemaakt waarvan de beweging bijna is bevroren in de mate die fundamenteel is toegestaan ​​door de kwantummechanica."

Volgens Athreya, het door hem en zijn collega's uitgevoerde onderzoek kan ook belangrijke praktische implicaties hebben. EIT-koeling verandert hun ingesloten ionenkristal in een verbeterd platform voor kwantumsimulaties en detectie, het aanzienlijk verminderen van de thermische achtergrondbeweging die typisch de prestaties van wetenschappelijke protocollen belemmert.

"Het succes van ons experiment toont aan dat EIT-koeling een robuuste techniek is die niet beperkt is tot één of enkele ionen in een val, " legde Athreya uit. "Het succes van de techniek met honderden ionen in een uitdagende omgeving zoals de Penning-val is een bemoedigende indicatie dat grote ionenkristallen in andere experimenten met gevangen ionen mogelijk ook efficiënt kunnen worden gekoeld en gebruikt voor het onderzoeken van fundamentele en veellichamen kwantumfysica."

De onderzoekers werken momenteel aan het gebruik van hun ionenkristal als gevoelige detector voor elektrische velden. Zeer zwakke elektrische velden kunnen worden geproduceerd door sommige kandidaten voor donkere materie, zoals verborgen fotonen en axionen, vandaar dat hun apparaat zou kunnen helpen bij het zoeken naar donkere materie.

"We zullen ook terugkomen op technische interacties tussen onze ionen om gecompliceerde fysica in het laboratorium te simuleren die moeilijk of onmogelijk te modelleren is op een klassieke (niet-kwantum) computer - de zogenaamde 'kwantumsimulatie', " vertelde Gilmore aan Phys.org. "In beide bezigheden, EIT-koeling zal voor ons een belangrijke rol spelen. Voor het elektrische velddetectie-experiment gebruiken we de beweging van de ionen die wordt veroorzaakt door de elektrische krachten die erop worden uitgeoefend om onze meting uit te voeren."

Ionen hebben thermische beweging, die afhangt van hun temperatuur, en dit kan een bron van ruis zijn bij experimenten. De onderzoekers ontdekten dat EIT-koeling dit achtergrondsignaal, veroorzaakt door thermische beweging, kan verminderen. het verbeteren en vereenvoudigen van metingen. In een eerdere studie, de onderzoekers hebben met succes zwakke elektrische velden gedetecteerd met behulp van een methode die vergelijkbaar is met die voor hun temperatuurmeting. In de toekomst, hetzelfde apparaat zou kunnen worden gebruikt om nog zwakkere elektrische velden te detecteren, evenals potentieel om te zoeken naar nieuwe fysica.

"Kwantumsimulatiestijlexperimenten profiteren ook van deze verminderde thermische ruis, Gilmore legde uit. "Dergelijke experimenten zijn afhankelijk van het produceren van fragiele kwantumcorrelaties, of koppelingen, tussen de ionen. Deze verbindingen kunnen worden verstoord of vernietigd door thermische beweging, waardoor de kwaliteit van de simulatie afneemt. Dus weer, lagere temperaturen is nuttig."

© 2019 Wetenschap X Netwerk