Физики сделали самый быстрый симулятор квантовых систем

Изучение квантовых многочастичных систем важно для понимания физических и химических явлений, таких как магнетизм и сверхпроводимость. В экспериментах роль таких систем могут играть, например, ультрахолодные ридберговские атомы (их внешний электрон находится в «пограничном», высоковозбужденном состоянии), которые облучаются лазером (нано-, фемто- или пикосекундным). Однако до сих пор в этих временных масштабах ученые могли наблюдать только изолированные атомы или расфазировку взаимодействия двух тел.

В своей работе ученые из Гейдельбергского университета (Германия) и других учреждений создали квантовый симулятор, который может имитировать динамику систем из 20–40 ридберговских атомов. Для этого авторы использовали газообразный рубидий, атомы которого охлаждались до примерно 70 микрокельвин и облучались широкополосными пикосекундными лазерными импульсами с длиной волны 481 и 779 нанометров. При этом пиковая плотность атомов была чрезвычайно высокой — 1,3×10¹² на кубический сантиметр.

Результаты показали, что новый симулятор позволяет вызывать ридберговское состояние атомов в диапазоне межатомных расстояний от микрометра до изолированного атома. С помощью интерферометрии авторы могли наблюдать расфазировку электронов с периодом колебаний в одну фемтосекунду и сдвиг фаз в аттосекундном масштабе. Показатели расфазировки и сдвига затем сравнивались с итогами теоретического моделирования. Таким образом ученые могли проследить атомные корреляции, которые не вписываются в теорию среднего поля.

По мнению исследователей, технология может быть воспроизведена при комнатной температуре — для этого необходим доплеровский сдвиг нужной величины. Помимо изучения фундаментальных явлений, симулятор можно использовать для совершенствования атомных часов на основе оптической решетки или индукции новых фаз, в которых электронная волновая функция пересекается с ридбероговскими атомами. Сейчас такие наблюдения невозможны из-за короткой продолжительности «пограничного» состояния (около 100 наносекунд).