Квантова логіка допомогла вивчити неспругу ударіння холодних атомів і іонів

Ізраїльські фізики застосували техніку квантової логіки до вимірювання ймовірності неупругого ударіння між холодними атомами рубідію та іонами стронцію. У їхньому досвіді вивільнений надлишок енергії переходив до додаткового логічного іону, чиє збудження вчені фіксували оптичними методами. Отримані в експерименті дані допоможуть теоретикам точніше будувати моделі міжатомної взаємодії. Дослідження опубліковано в.

Неупругие соударения всегда представляют для физиков больший интерес, чем упругие, поскольку они открывают доступ к внутренней структуре участвующих в них частиц. У разі, якщо мова йде про атоми, зміна їх внутрішнього стану в силу законів збереження неминуче позначиться на кінетичній енергії. Якщо мова йде про множинні співударіння у великих атомних ансамблях, неспругі процеси позначаються на макроскопічних величинах, що піддаються вимірюванню, таких як температура або тиск.

Розвиток методів охолодження і контролю холодних атомів відкрив дорогу до вивчення зіткнень індивідуальних атомів і іонів. Ми вже розповідали, як фізики виявили в таких системах резонанс Фешбаха і нерівноважну термодинамічну поведінку, а також змогли з високою точністю відстежувати траєкторію і швидкість іону в процесі його руху крізь атомний конденсат. Прогрес у цьому напрямку обмежується тим фактом, що не всі іони можна потрібним чином готувати і детектувати.

Техніки, засновані на квантовій логіці та симпатичному охолодженні, виглядають перспективним вирішенням цієї проблеми. Симпатичне охолодження (або охолодження змішуванням) дозволяє підготувати іони в потрібному холодному стані, чого не можна досягти лазерними методами. Під квантовою логікою тут розуміється використання додаткового (логічного) іона, який пов'язується з іоном, що бере участь у деякому фізико-хімічному процесі, і виступає посередником при вимірюванні його властивостей. Незважаючи на те, що ці методи вже активно використовуються фізиками в безлічі завдань, ніхто поки не застосовував їх до дослідження неупругих зіткнень ультрахолодних атомів.

Це вдалося зробити ізраїльським фізикам під керівництвом Ора Каца (Or Katz) з Інституту імені Вейцмана. За допомогою квантової логіки вони виміряли виділення надтонкої енергії при неспругому зіткненні збудженого ультрахолодного атома рубідію з ізотопами одноразово іонізованого стронцію. Надлишок енергії нагрів логічний іон, в ролі якого виступав додатковий іон стронцію, що оптично зафіксували вчені.

Автори сконцентрувалися у своєму дослідженні на екзотермічному зіткненні. Такий процес можливий, якщо атоми або іон, який братиме участь у зіткненні (його ще називають «хімічним іоном»), перебувають у збудженому стані. Енергія цих станів в результаті удару розподіляється в кінетичні енергії атома та іона. Рух хімічного іона, своєю чергою, симпатично передається логічному іону, пов'язаному з ним у пастці (такий зв'язок називають «двоіонним кристалом»). Проводячи термометрію стану логічного іону можна зробити висновок про кількість цієї енергії.

Для реалізації цієї ідеї фізики завантажували хмару з мільйона атомів ⁸⁷Rb, збуджених на різні надтонкі подуровни, в нерезонансну оптичну решітку, охолоджуючи їх за допомогою лазера. У близькості від хмари вони захоплювали в пастку Пауля двоіонний кристал, який складався з логічного іона ⁸⁸Sr ⁺ і хімічного іона, в ролі якого виступали різні ізотопи стронцію: ⁸⁴Sr⁺, ⁸⁶Sr⁺, ⁸⁷Sr⁺ и ⁸⁸Sr⁺. Автори проводили хмару через іонну пастку, вимірюючи сигнал флуоресценції, який виникав тільки тоді, коли логічний іон перебував у збудженому стані руху.

Вчені досліджували залежність ймовірності цього сигналу від подурівня, на якому знаходилися атоми рубідію, від масового числа ізотопів, а також від співвідношення спинів атомів та іонів. Вони з'ясували, що зіткнення, при яких спини атомів і іонів антипаралельні, більш імовірні. Фізики також виявили, що при антипараллельній орієнтації спина логічного іона і неполяризованому хімічному іоні ймовірність сигналу вбиває зі зростанням масового числа парних ізотопів, в той час як єдиний непарний ізотоп продемонстрував майже в два рази меншу ймовірність несправжнього ударіння. Отримані дані дозволять теоретикам відкалібрувати відповідні феноменологічні потенціали міжатомної взаємодії.

В рамках ультрахолодної хімії іони стикають не тільки з іншими атомами, але і молекулами. Нещодавно ми розповідали, як таким способом можна отримувати рекордно холодні іонізовані молекули.