Добавление звука в квантовое моделирование

Иллюстрация системы, которая производит первую оптическую решетку со звуком. Свет проникает через три источника, в том числе через цифровое зеркальное устройство (DMD), и производит сверхтвердое тело из атомов (оранжевого цвета), которое может вибрировать. Предоставлено: Лев Лаб.

В частности, он может передавать звук в обычную квантовую научную установку, известную как оптическая решетка, которая использует пересекающуюся сетку лазерных лучей для упорядоченного расположения атомов, напоминающих кристалл. Этот инструмент обычно используется для изучения фундаментальных характеристик твердых тел и других фаз материи, имеющих повторяющуюся геометрию. Однако недостатком этих решеток является то, что они бесшумны.

«Без звука или вибрации мы упускаем важную степень свободы, которая существует в реальных материалах», — сказал Бенджамин Лев, доцент прикладной физики и физики, который задумался над этим вопросом, когда впервые приехал в Стэнфорд в 2011 году. Это как приготовить суп и забыть о соли; это действительно лишает вкус квантового «супа» ».

После десяти лет разработки и тестирования Лев и его сотрудники из Университета штата Пенсильвания и Университета Сент-Эндрюс создали первую оптическую решетку атомов, включающую звук. Разработав очень точный резонатор, который удерживал решетку между двумя зеркалами с высокой степенью отражения, исследователи сделали так, чтобы атомы могли «видеть» себя повторяющимися тысячи раз через частицы света или фотоны, которые отражаются между зеркалами взад и вперед. Эта обратная связь заставляет фотоны вести себя как фононы— строительные блоки звука.

«Если бы можно было приложить ухо к оптической решетке атомов, вы бы услышали их вибрацию с частотой около 1 кГц», — сказал Лев.

Сверхтвердое тело со звуком

Предыдущие эксперименты с оптической решеткой проходили бесследно, потому что им не хватало особой эластичности этой новой системы. Лев, молодой аспирант Саранг Гопалакришнан — ныне доцент кафедры физики Пенсильванского университета и соавтор статьи — и Пол Голдбарт (ныне ректор Университета Стоуни-Брук) предложили основополагающую теорию этой системы. Но потребовалось сотрудничество с Джонатаном Килингом — читателем из Университета Сент-Эндрюс и соавтором статьи — и годы работы, чтобы создать соответствующее устройство.

Чтобы создать эту установку, исследователи заполнили пустую полость зеркала ультрахолодным квантовым газом рубидия. Сама по себе это сверхтекучая жидкость, представляющая собой фазу вещества, в которой атомы могут течь вихрями без сопротивления. Под действием света сверхтекучая жидкость рубидия самопроизвольно перестраивается в сверхтекучую среду.твердый— редкая фаза вещества, которая одновременно демонстрирует порядок, наблюдаемый в кристаллах, и необычайную текучесть сверхтекучих жидкостей.

То, что принесло звук в резонатор, были два тщательно расположенных вогнутых зеркала, которые обладают такой отражающей способностью, что вероятность того, что один фотон пройдет через них, составляет долю 1%. Эта отражательная способность и особая геометрия установки — радиус изогнутых зеркал равен расстоянию между ними — заставляет фотоны, накачанные в резонатор, проходить мимо атомов более 10 000 раз. При этом фотоны образуют особую прочную связь с атомами, заставляя их образовывать решетку.

«Полость, которую мы используем, обеспечивает гораздо большую гибкость с точки зрения формы света, отражающегося взад и вперед между зеркалами», — сказал Лев. «Это как если бы вместо того, чтобы просто иметь возможность сделать одну волну в корыте с водой, теперь вы можете плескаться, чтобы создать какой-либо волновой узор».

Эта специальная полость позволяла решетке сверхтекучих атомов (сверхтвердое тело) перемещаться так, что, в отличие от других оптических решеток, она могла свободно искажаться при толкании — и это создает звуковые волны. Чтобы инициировать запуск фононов через гибкую решетку, исследователи протыкали ее с помощью инструмента, называемого пространственным модулятором света, который позволяет им программировать различные паттерны света, который они вводят в полость.

Исследователи оценили, как это повлияло на содержимое полости, сняв голограмму выходящего света. Голограмма записывает как амплитуду, так и фазу световой волны, что позволяет отображать фононы. В дополнение к интересной физике, высокая кривизна зеркал внутри устройства создает изображение с высоким разрешением, как у микроскопа, что побудило исследователей назвать свое творение «активным квантовым газовым микроскопом».

Аспирант и ведущий автор Юдан Го, получивший стипендию Q-FARM для поддержки этой работы, возглавил попытку подтвердить наличие фононов в устройстве, что было сделано путем отправки различных световых паттернов, измерения того, что выходит, и сравнения это к кривой дисперсии Голдстоуна. Эта кривая показывает, как ожидается, что энергия, включая звук, будет проходить через кристаллы; тот факт, что их результаты совпадают с этим, подтвердил как существование фононов, так и вибрирующее сверхтвердое состояние.

Два одинаковых предмета

Лев надеется, что его лаборатория — и, возможно, другие — воспользуется этим изобретением во многих направлениях, включая изучение физики экзотических сверхпроводников и создание квантовых нейронных сетей, поэтому команда уже работает над созданием второй версии своего устройства. .

«Откройте канонический учебник физики твердого тела, и вы увидите, что большая его часть связана с фононами», — сказал Лев. «И до сих пор мы не могли изучать что-либо, построенное на этом, с помощью квантовых симуляторов, использующих атомы и фотоны, потому что мы не могли имитировать эту базовую форму звука».

Аспиранты Стэнфорда Ронен Крезе и Брендан Марш также являются соавторами этого исследования.