Физики построили квантовую лестницу из импульсов

Возможность проектирования атомарных решеток, конфигурация которых может адаптироваться под наблюдение определенных эффектов, считается перспективной для физики. Дело в том, что этот метод позволяет создавать синтетические структуры с заданными свойствами. Как правило, в основе подобных технологий лежит идея построения периодических решеток, роль электронов в которых играют охлажденные атомы, тогда как периодический потенциал обеспечивается за счет лазеров. В новой работе специалисты из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейне показали принципиально новый подход, представив систему, трансляционной симметрией в которой также обладают импульсы частиц.

Для этого авторы охладили атомы рубидия до конденсата Бозе — Эйнштейна, после чего поместили их в оптические ловушки, имитирующие ямы, в которых находятся электроны. Управление системой осуществлялось посредством двух пар лазеров с длиной волны 781,5 и 1064 нанометра. Каждая пара могла увеличивать импульс атомов на специфическую величину благодаря ориентированию вдоль общей оси. Поскольку длины волн оставались некратными, суммарный импульс раскладывался на сумму независимых значений от разных пар лазеров. В рамках демонстрации ученые получили два варианта импульса для коротко- и пять — для длинноволнового лазеров, двумерная проекция состояний которых получила название лестницы.

В отличие от новой системы, имеющей фактически два независимых импульсных измерения, спроектированные ранее системы имели одно импульсное и одно пространственное измерение. По словам исследователей, предложенный подход на примере прямого наблюдения хиральных токов в рамках моделирования квантового эффекта Холла позволяет имитировать сильно неоднородное магнитное поле (с перепадом в 100 Тесла на дистанции в несколько ангстрем) — сейчас это представляется недостижимым в системах их оптических ловушек и в обычных материалах. Кроме того, в режиме «имитации однородного поля» описанная технология способна быстро изменять магнитное поле.

Примечательно, что для испытаний метода авторы использовали сравнительно сложную задачу. Хиральные токи являются асимметричными и не могут течь одинаково в разных направлениях. В частности, квантовый целочисленный эффект Холла проявляется в том, что токи, возникающие по краям образца, в зависимости от направления внешнего магнитного поля, текут только по или против часовой стрелки. Этот эффект основан на ограничении движения электрона в магнитном поле по окружности, который, отражаясь от границы, описывает окружность частично и оставляет часть импульса «вдоль» края. Возможность наблюдать такие токи позволяет создавать экзотические состояния различных материалов.

Подробности исследования опубликованы в журнале Science Advances.