Una ilustración de lo que le sucede al cristal de iones cuando se enfría con EIT. Por simplicidad, solo se muestran los iones en la fila central del cristal, pero uno debería imaginar un ion en cada intersección de la celosía. Inicialmente, el cristal se dobla hacia arriba y hacia abajo como un parche de tambor vibrante. Este es un ejemplo de un modo de parche de tambor. Luego, los investigadores aplican los láseres de enfriamiento (líneas rojas). Debido a la alineación de los láseres, la dirección del enfriamiento es perpendicular al plano del cristal, paralelo a la dirección del movimiento del parche. Después del enfriamiento, la amplitud del movimiento del parche del cristal es muy pequeña y en la figura se representa casi plano. Crédito:Jordan et al.
Los investigadores han intentado enfriar los osciladores mecánicos macroscópicos hasta su estado fundamental durante varias décadas. Sin embargo, los estudios anteriores simplemente han logrado el enfriamiento de algunos modos vibratorios seleccionados de tales osciladores.
Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder ha llevado a cabo recientemente un estudio que investiga el enfriamiento del estado cercano al suelo de cristales de iones atrapados bidimensionales (2-D) con más de 100 iones. El éxito de su experimento de enfriamiento sienta las bases para mejorar las simulaciones cuánticas y la detección con matrices 2-D de cientos de iones atrapados dentro de una trampa Penning.
Las trampas de almacenamiento son dispositivos que pueden almacenar partículas cargadas mediante la aplicación de un fuerte campo magnético. Estos dispositivos pueden controlar cristales de decenas a cientos de iones, una cualidad que los convierte en simuladores cuánticos versátiles. En su estudio, Los investigadores de NIST y UC Boulder lograron enfriar todos los modos de 'parche de tambor' de un cristal delgado 2-D con más de 150 berilio (Be + ) iones, almacenados dentro de una trampa Penning.
"Usamos enfriamiento con láser Doppler para enfriar los iones cerca del límite de enfriamiento Doppler. A estas bajas temperaturas, los iones forman naturalmente un cristal de Coulomb, "Elena Jordan, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Un cristal con iones N tiene modos de movimiento 3N. Los modos 2N están en el plano del cristal y parecen remolinos o distorsiones, Los modos N son perpendiculares al plano del cristal y parecen modos de parche. Para simulaciones cuánticas, acoplamos estos modos de parche a los giros de los iones ".
Los investigadores observaron que bajar la temperatura de los modos de parche por debajo del límite Doppler podría mejorar las simulaciones cuánticas de los modelos de espín 2-D. Por lo tanto, se propusieron implementar una técnica de enfriamiento sub-Doppler eficiente, lo que les permitiría enfriar los iones a la temperatura más baja posible.
"Recientemente, Regina Lechner y col. en la Universidad de Innsbruck, Austria, cadenas lineales enfriadas de 18 iones con enfriamiento de transparencia inducida electromagnéticamente (EIT), "Esto nos animó a pensar en aplicar esta técnica a sistemas bidimensionales con cientos de iones", dijo Jordan.
Inspirado en investigaciones anteriores realizadas en la Universidad de Innsbruck, Jordan y sus colegas Athreya Shankar, Arghavan Safavi-Naini y Murray Holland en JILA comenzaron a estudiar teóricamente la posibilidad de que EIT enfriara todos los modos de parche de un cristal de iones 2-D que gira dentro de una trampa Penning. Pronto descubrieron que la teoría existente era insuficiente para describir el proceso de enfriamiento de este sistema y, por lo tanto, comenzaron a desarrollar nuevos modelos.
"Athreya desarrolló nuevos modelos teóricos y ejecutó simulaciones que mostraron que el enfriamiento de todos los modos de parche debería ser posible sin cambiar los parámetros experimentales para el enfriamiento," eso significa que no se deben requerir cambios de frecuencia o variaciones de potencia del láser, "Jordan explicó." Sorprendentemente, La teoría predice que el enfriamiento de un cristal de iones múltiples debería ser más rápido que el enfriamiento de un solo ion. Nuestros resultados nos animaron a implementar el enfriamiento EIT y los experimentos posteriores demostraron que el enfriamiento no solo funciona muy bien en las simulaciones, sino también en nuestra verdadera trampa de Penning ".
El experimento descrito en el estudio fue realizado por Jordan junto con sus colegas Kevin Gilmore, Justin Bohnet y John Bollinger, en su laboratorio en NIST. Los iones de berilio estaban confinados a lo largo del eje de su trampa de Penning por un campo eléctrico estático, así como por un fuerte campo magnético (4.5 T), paralelo al eje de la trampa. El movimiento de los iones en el campo magnético conduce a una fuerza de Lorentz, haciendo que los iones giren en la trampa, mientras permanece confinado radialmente.
"Para refrigeración EIT, Usamos dos láseres para acoplar los estados atómicos en el berilio de una manera que conduce a la interferencia cuántica y crea un llamado 'estado oscuro' que no se acopla a los láseres y se puede usar para enfriar la EIT. "Jordan explicó." Los dos rayos vienen desde el lado en un ángulo de ± 10 grados con respecto al plano del cristal ".
Un corte a través de la trampa de Penning utilizada por los investigadores, con rayos láser para enfriamiento y medición de temperatura. Crédito:Jordan et al.
La rotación de iones en la trampa de Penning provoca un desplazamiento Doppler variable en el tiempo de las frecuencias del láser. Para lograr un enfriamiento eficiente a pesar de este cambio Doppler, los investigadores desafinaron los láseres de la resonancia atómica más grande que el desplazamiento Doppler máximo y ajustaron las potencias del láser para que se pudiera cumplir la condición de enfriamiento de la EIT.
Midieron la temperatura de los iones usando un par adicional de rayos láser, que unió los giros de los iones a su movimiento de parche. Este acoplamiento conduce a una señal de eliminación de fase de espín que se puede medir y utilizar para extraer la temperatura de los iones.
"Después de 200 microsegundos de enfriamiento con EIT, todos los modos de parche del cristal de iones se enfrían cerca del estado fundamental, como podemos ver al comparar los datos experimentales con el modelo teórico, "Dijo Jordan." El enfriamiento es tan eficiente como predijo la teoría y el enfriamiento de todos los modos de parche se logra sin cambiar los parámetros experimentales ".
El experimento llevado a cabo por Jordan y sus colegas arrojó resultados notables, confirmando sus predicciones teóricas. La velocidad de enfriamiento medida por ellos fue más rápida que la predicha por la teoría de una sola partícula, pero era consistente con un cálculo cuántico de muchos cuerpos.
"Los resultados de nuestro estudio son importantes tanto desde un punto de vista fundamental como práctico, "Athreya Shankar, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Desde una perspectiva fundamental, El enfriamiento de los osciladores mecánicos cercanos a su estado fundamental cuántico se ha buscado activamente durante tres décadas. Si bien varios experimentos han logrado enfriar uno o algunos modos de movimiento cerca del estado fundamental, enfriar simultáneamente muchos modos de un oscilador de tamaño mediano o grande sigue siendo un desafío. Al enfriar todos los modos de parche de grandes cristales de iones cerca de su estado fundamental cuántico, hemos preparado un oscilador de iones atrapado mesoscópico cuyo movimiento ha sido casi congelado en la medida fundamentalmente permitida por la mecánica cuántica ".
Según Athreya, el estudio realizado por él y sus colegas también podría tener importantes implicaciones prácticas. El enfriamiento EIT convierte su cristal de iones atrapado en una plataforma mejorada para simulaciones cuánticas y detección, reduciendo significativamente el movimiento térmico de fondo que normalmente dificulta el desempeño de los protocolos científicos.
"El éxito de nuestro experimento muestra que el enfriamiento EIT es una técnica robusta que no se limita a uno o unos pocos iones en una trampa, "Athreya explicó." El éxito de la técnica con cientos de iones en un entorno desafiante como la trampa de Penning es una indicación alentadora de que los cristales de iones grandes en otros experimentos de iones atrapados también podrían enfriarse de manera eficiente y usarse para sondear fundamentales y de muchos cuerpos. física cuántica."
Los investigadores están trabajando actualmente en el uso de su cristal de iones como detector sensible para campos eléctricos. Algunos candidatos a materia oscura pueden producir campos eléctricos muy débiles, como fotones y axiones ocultos, por lo tanto, su aparato podría ayudar en la búsqueda de materia oscura.
"También volveremos a la ingeniería de interacciones entre nuestros iones para simular física complicada en el laboratorio que es difícil o imposible de modelar en una computadora clásica (no cuántica), la llamada 'simulación cuántica', "Gilmore le dijo a Phys.org." En ambos objetivos, El enfriamiento EIT jugará un papel importante para nosotros. Para el experimento de detección de campo eléctrico usamos el movimiento de los iones causado por las fuerzas eléctricas ejercidas sobre ellos para realizar nuestra medición ".
Los iones tienen movimiento térmico, que depende de su temperatura, y esto puede ser una fuente de ruido en los experimentos. Los investigadores encontraron que el enfriamiento EIT puede reducir esta señal de fondo causada por el movimiento térmico, mejorando y simplificando las mediciones. En un estudio anterior, los investigadores detectaron con éxito campos eléctricos débiles utilizando un método similar al utilizado para medir la temperatura. En el futuro, el mismo aparato podría usarse para detectar campos eléctricos aún más débiles, así como potencialmente para buscar nueva física.
"Los experimentos de estilo de simulación cuántica también se benefician de este ruido térmico reducido, "Gilmore explicó." Tales experimentos se basan en producir frágiles correlaciones cuánticas, o enlaces, entre los iones. Estos enlaces pueden interrumpirse o destruirse por el movimiento térmico, que degrada la calidad de la simulación. Así que de nuevo llegar a temperaturas más bajas es útil ".
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