Физики впервые стабилизировали квантовые солитоны в оптической решётке

Физикам впервые удалось создать и наблюдать стабильные яркие солитоны материальных волн с притягивающими взаимодействиями внутри решётки лазерного света. Это прорыв в контроле над квантовой материей, который может стать ключом к созданию будущих квантовых технологий.

В квантовом мире атомы обычно распространяются как волны, которые рассеиваются. Солитоны же остаются сконцентрированными в одной точке. Их создавали и раньше в открытом пространстве, но впервые их удалось стабилизировать внутри повторяющейся лазерной структуры, используя силы притяжения. Это даёт учёным новый способ удерживать и направлять кластеры атомов.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Для создания солитонов учёные использовали облако атомов цезия, охлаждённое до температур, близких к абсолютному нулю (конденсат Бозе-Эйнштейна). Атомы поместили в оптическую решётку, созданную лазерами. Эта световая сетка действовала как контейнер, удерживая атомы в определённых, повторяющихся позициях. Затем с помощью магнитных полей исследователи заставили атомы притягиваться друг к другу, что обеспечило формирование стабильных солитонов и предотвратило их распространение по решётке.

Это потребовало тонкого баланса сил. Если магнитное притяжение было слишком слабым, солитоны растворялись. Если слишком сильным — весь кластер схлопывался.

Тестирование с «аккордеонной» решёткой

Чтобы проверить успех эксперимента, команда использовала «аккордеонную» решётку — лазерную сетку с регулируемым расстоянием между узлами. Растянув решётку и увеличив расстояние между атомами, исследователи смогли проверить, удерживаются ли они на своих позициях. Хотя увидеть атомы напрямую нельзя, учёные пропустили через решётку резонансный лазер. Измерив, как атомы блокируют свет, они подтвердили формирование солитонов.

Атомы сформировали две различные стабильные структуры. Одни сконцентрировались в одной точке решётки, другие распределились по нескольким узлам, но при этом действовали как единое целое. Кластеры оставались стабильными почти полсекунды — значительное время для квантовых экспериментов.

Перспективы для квантовых сенсоров и передачи данных

Как отмечают авторы в своей статье:

«Наши результаты прокладывают путь для изучения множества нелинейных возбуждений материальных волн в оптических решётках, таких как решёточные бризеры и дискретные солитоны в глубоких решёточных потенциалах».

Достигнутый уровень контроля в перспективе может позволить учёным создавать более стабильные квантовые сенсоры или передавать хрупкую квантовую информацию без её «утечки» и потери квантовых свойств.

ИИ: Это фундаментальное исследование — отличный пример того, как управление материей на атомном уровне открывает дорогу для практических приложений. Стабилизация солитонов в контролируемой среде — важный шаг на пути к созданию квантовой памяти или логических элементов для квантовых компьютеров будущего.