Ультрахолодные атомы в так называемых оптических решетках, которые генерируются перекрестным наложением лазерных лучей, оказались одним из самых многообещающих инструментов для моделирования и понимания поведения систем многих тел, таких как твердые кристаллы, например относительно их электрических или магнитных свойств. Однако реализация в свободном пространстве имеет некоторые ограничения, такие как расстояние между атомами (около 400 нм) и небольшой диапазон взаимодействий. Теперь группа теоретиков, состоящая из профессора Игнасио Чирака (MPQ, Гархинг) и профессора Джеффа Кимбла (Калифорнийский технологический институт, Пасадена, США), предлагает новую установку, которая объединяет преимущества ультрахолодной атомной физики и нанофотоники, чтобы обойти эти ограничения предсказывают постоянные решетки примерно в десять раз меньше, чем в оптических решетках в свободном пространстве, и возможность опосредовать более дальнодействующие взаимодействия. Авторы используют возможности, предоставляемые нанотехнологическими диэлектриками, так называемыми фотонными кристаллами, для изучения того, как улавливать атомы ближе друг к другу и заставлять их взаимодействовать через управляемые моды в структуре.
Как следствие, энергетические масштабы системы увеличиваются, а также увеличивается диапазон взаимодействий, что позволяет исследовать новые формы квантовой многочастичной материи.Основная идея состоит в том, чтобы взять тонкую диэлектрическую пластину, показатель преломления которой периодически модулируется путем сверления отверстий или установки маленьких цилиндрических столбиков в виде сетки.
Используя комбинацию оптических и вакуумных сил, авторы показывают, как создавать решетки размером до 50 нм, что примерно в десять раз меньше, чем у оптических решеток.«С помощью этих субволновых решеток мы можем исследовать те же квантовые явления многих тел, что и в оптических решетках в свободном пространстве», — объясняет д-р Алехандро Гонсалес-Тудела, ученый из теоретического отдела профессора Чирака и первый автор публикации. «Но отличие и преимущество предлагаемой нами схемы в том, что атомы расположены намного ближе друг к другу. Таким образом мы достигаем более высоких скоростей туннелирования и энергий взаимодействия для моделирования квантовых систем многих тел.
А это означает, что мы можем ослабить требования к охлаждению. атомов ".Но не только меньший масштаб решетки дает возможность заниматься новыми видами физики. Геометрия двумерного тонкого диэлектрического слоя позволяет улавливать и направлять свет, падающий на пластину. Таким образом, входящий фотон сильно взаимодействует с атомом, а затем отскакивает.
Но он не летит в космос: фотон распространяется по волноводу и находит другой атом, с которым взаимодействует, а затем переходит к следующему и взаимодействует.«Наш анализ показывает, что мы должны быть в состоянии достичь взаимодействия атом-атом, при котором механизм взаимодействия заключается не в прыжках атома (как в оптических решетках в свободном пространстве), а в обмене фотонами», — говорит Алехандро Гонсалес-Тудела. "В результате получается двухмерное твердое тело, в котором атомы удерживаются вместе и разговаривают друг с другом не фононами, как в обычной материи, а фотонами.
Это подразумевает качественно новую область взаимодействия света и вещества с возможностью чтобы «спроектировать» силу и диапазон взаимодействий.Мы получим доступ к богатому набору явлений, включая, например, квантовый магнетизм или спин-спиновые взаимодействия, опосредованные фотонами.