Ultrakoude atomen gevangen in goed voorbereide optische vallen kunnen zichzelf rangschikken in verrassend complexe, tot nu toe onopgemerkte structuren, volgens wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau. In lijn met hun meest recente voorspellingen, materie in optische roosters moet op een gecontroleerde manier trek- en inhomogene kwantumringen vormen.

Een optisch rooster is een structuur die is opgebouwd uit licht, d.w.z. elektromagnetische golven. Lasers spelen een sleutelrol bij de constructie van dergelijke roosters. Elke laser genereert een elektromagnetische golf met strikt gedefinieerde, constante parameters die bijna willekeurig kunnen worden gewijzigd. Als de laserstralen goed op elkaar zijn afgestemd, het is mogelijk om een ​​rooster te maken met bekende eigenschappen. Door overlappende golven, de minima van potentieel kan worden verkregen, waarvan de opstelling simulatie mogelijk maakt van de systemen en modellen die bekend zijn uit de vastestoffysica. Het voordeel van dergelijke voorbereide systemen is de relatief eenvoudige manier om posities van deze minima te wijzigen, wat in de praktijk de mogelijkheid betekent om verschillende soorten roosters te maken.

"Als we geschikt geselecteerde atomen introduceren in een ruimte die op deze manier is voorbereid, ze zullen samenkomen op de locaties van potentiële minima. Echter, er is een belangrijke voorwaarde:de atomen moeten worden afgekoeld tot ultra-lage temperaturen. Alleen dan zal hun energie klein genoeg zijn om niet uit de subtiel voorbereide val te ontsnappen, " legt Dr. Andrzej Ptok uit van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau.

Structuren gevormd door atomen (of groepen atomen) gevangen in het optische rooster lijken op kristallen. Afhankelijk van de configuratie van de laserstralen, ze kunnen een-, twee- of driedimensionaal. In tegenstelling tot kristallen, ze zijn vrij van defecten. Bovendien, terwijl in kristallen de mogelijkheid om de structuur van het rooster te wijzigen verwaarloosbaar is, optische roosters zijn vrij eenvoudig te configureren. Alles wat nodig is om de eigenschappen van het laserlicht of de snijhoeken van de bundels te veranderen. Deze eigenschappen maken optische roosters populair als kwantumsimulatoren. Ze kunnen worden gebruikt om verschillende ruimtelijke configuraties van atomen of groepen atomen te reproduceren, zelfs die welke niet in de natuur voorkomen.

In hun onderzoek hebben de wetenschappers van de IFJ PAN werken met opgesloten atomen in optische roosters. Groepen fermionen, d.w.z. atomen met een spin van 1/2 (spin is een kwantumfunctie die de rotatie van deeltjes beschrijft) werden op hun plaatsen geplaatst. In elke site had een bepaald aantal atomen de spin in één richting (omhoog), en de rest - in de tegenovergestelde richting (naar beneden). Het zodanig wijzigen van de interactie tussen atomen dat het aantrekkelijk is, leidt tot het ontstaan ​​van atomenparen, die overeenkomen met de Cooper-paren in supergeleiders - elektronenparen met tegengestelde spins op dezelfde plaats van het rooster.

"De parameters van het optische rooster kunnen worden gebruikt om de interactie tussen atomen van verschillende spin die op individuele locaties zijn gevangen, te beïnvloeden. op die manier kan een staat worden voorbereid, die toegepaste externe magnetische velden op het systeem nabootsen. Het wordt gegeven door de verhoudingen tussen het aantal atomen met verschillende spin te regelen, " zegt Dr. Konrad J. Kapcia van IFJ PAN en merkt op dat op deze manier voorbereide systemen de effecten van relatief grote magnetische velden kunnen reproduceren zonder deze velden te hoeven gebruiken. "Dit is mogelijk omdat we weten hoe een bepaald magnetisch veld in het verschil tussen aantallen deeltjes met tegengestelde spins, ", leggen onderzoekers uit.

Volgens de voorspellingen van natuurkundigen uit Krakau, een interessante fasescheiding zou moeten plaatsvinden in systemen die op deze manier zijn voorbereid. Als resultaat, kern-schilstructuur gevormd door materie gevangen in een optisch rooster, een kern van gepaarde atomen van één fase, omgeven door een schil van gepaarde atomen van de tweede fase, automatisch zal vormen.

"De hele situatie kan worden weergegeven door een smakelijk voorbeeld. Stel je een bord rijst met een dikke saus voor. Door een goede voorbereiding van het bord, we kunnen de relatieve positie tussen de rijst en de saus beïnvloeden. Bijvoorbeeld, we kunnen het systeem zo voorbereiden dat de rijst in het midden komt, terwijl de saus er een ring omheen vormt. Van dezelfde ingrediënten kunnen we ook het omgekeerde systeem construeren:in het midden van het bord komt de saus omgeven door een ring van de rijst. In ons geval, de plaat is de optische val met atomen en hun paren, en de rijst en saus zijn de twee fasen, het groeperen van verschillende soorten atoomparen, " beschrijft Dr. Ptok.

Het werk van de natuurkundigen van IFJ PAN, gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , is van theoretische aard. Door hun eenvoud, echter, de beschreven systemen van ultrakoude atomen in optische vallen kunnen snel worden geverifieerd in laboratoriumexperimenten. Natuurkundigen van de IFJ PAN voorspelden dat ultrakoude atomen gevangen in optische roosters kwantumringen kunnen vormen met een inhomogene structuur.