Германские исследователи из Института квантовой оптики им. Макса Планка предложили экспериментальную схему, которая позволяет управлять спинами отдельных атомов в оптической решётке.

Оптическая решётка образуется в результате интерференции лазерных лучей, которые создают потенциальные ямы, расположенные в виде упорядоченного массива. При внесении в такую решётку охлаждённых нейтральных атомов они занимают места в минимумах потенциала. Если глубина ямы не слишком велика, частицы могут перемещаться (за счёт туннельного эффекта) в соседние ячейки решётки; при увеличении глубины они надёжно удерживаются на своих местах.

Вероятно, зафиксированные в решётке атомы можно будет использовать в качестве кубитов квантового компьютера. Если эти проекты реализуются, физикам понадобится методика адресации отдельных ячеек массива, и именно её разработали авторы.

Рис. 1. Схема эксперимента (иллюстрация из журнала Nature).

В опыте оптическая решётка с периодом в 532 нм была создана с помощью двух пар встречных лазерных пучков. В неё были загружены ультрахолодные атомы рубидия-87, изначально находившиеся в спиновом состоянии «0». На отдельные частицы направлялось лазерное излучение на длине волны в 787,55 нм, которое несколько изменяло разность энергий двух спиновых состояний. Затем вся решётка облучалась микроволнами, переводившими в состояние «1» только атом с модифицированной разностью энергий.

Повторяя эту процедуру, можно задать любое распределение частиц в решётке. Чтобы оценить результаты, учёные с помощью лазера удаляли из ячеек все атомы, находящиеся в каком-то одном спиновом состоянии, и наблюдали в микроскоп оставшиеся частицы.

Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что адресация работает примерно в 95 процентах случаев.

Рис. 2. Разные варианты расположения частиц, остающихся в решётке после «выбивания» атомов в спиновом состоянии «1». Фигуры составлены из 29, 35, 18 и 23 атомов. (Иллюстрация из журнала Nature).

Результаты исследований опубликованы в статье:

Christof Weitenberg, Manuel Endres, Jacob F. Sherson, Marc Cheneau, Peter Schauß, Takeshi Fukuhara, Immanuel Bloch & Stefan Kuhr Single-spin addressing in an atomic Mott insulator. – Nature. – 471. – P. 319–324, Published online 16 March 2011; doi:10.1038/nature09827.