Американские и британские физики впервые смогли создать звуковую волну в оптической решетке, сформированной на пересечении лазерной и резонаторной мод. Для этого они применили двойную лазерную накачку, а также перевели резонатор в конфокальный режим.

Исследование опубликовано в Nature.

С начала 80-х годов прошлого века физики задумались над тем, чтобы использовать одни квантовые системы для имитации других. Эта концепция получила название квантовых симуляторов и сегодня активно реализуется различными исследовательскими группами. Такой подход позволяет в контролируемом эксперименте добывать информацию о деталях процессов, которые слишком сложны для прямого вычисления с помощью обычных компьютеров.

Одним из самых успешных примеров квантовых симуляций стали ультрахолодные газы, запертые в оптических решетках, чье поведение похоже на поведение твердых тел. С помощью таких систем было воспроизведено множество эффектов, имеющих место в реальных кристаллах. Однако, общим их недостатком оказалось отсутствие упругости, которое не позволяет симулировать фононы — кванты звука. Фононы играют в твердых телах важнейшую роль, отвечая за их термодинамические и электрические свойства, поэтому физики активно ищут способы, чтобы внести упругость в поведение атомов в оптических решетках.

Американские и британские физики под руководством Бенджамина Лев (Benjamin Lev) из Стэнфордского университета смогли добиться возникновения в оптических решетках акустических мод и измерить их дисперсионные соотношения. Для этого они подавили дальнодействие в упорядоченных массивах атомов рубидия в резонаторе с помощью двойной накачки.

Один из способов формирования упорядоченного массива в оптических решетках — это накачка облака холодных атомов, помещенных в резонатор, лазерным полем перпендикулярно резонаторной оси. В этом случае атомы могут кооперативно перерассеивать энергию лазера в моды резонатора. Стоячие волны двух перпендикулярных мод формируют при этом структуру, напоминающую шахматную доску. Такая система, однако, не обладает упругостью из-за того, что взаимодействие между атомами, обычно фотонно-опосредованное, имеет дальний порядок. Другими словами, попытка вызвать смещение одного атома от положения равновесия не создает локальной деформации, необходимой для формирования звуковой волны, а искажает решетку целиком.

Физики усовершенствовали эту технику с помощью двух шагов. Они добавили дополнительный луч накачки, а также сделали резонатор конфокальным, то есть таким, чьи зеркала обладают радиусом кривизны, равным длине резонатора. Последнее привело к вырождению спектра резонатора.

Теория показала, что в такой конфигурации дальнодействующий вклад во взаимодействие между атомами от разных накачек оказывается равным по величине и обратным по знаку и потому исчезает. Авторы убедились в этом экспериментально с помощью техники голографической визуализации фазы и амплитуды кооперативного излучения, покидающего резонатор.

Схема эксперимента по возбуждению звуковой волны в оптических решетках / Yudan Guo et al. / Nature, 2021

Убедившись, что взаимодействие между соседними атомами локализовано, физики вводили вдоль оси резонатора третье, более слабое поле накачки, амплитуда и фаза которого были запрограммированы цифровым микрозеркальным устройством, чтобы стимулировать поперечную звуковую волну. Колебания решетки приводили к тому, что при некоторой частоте пробного импульса, связанной с частотой звуковой волны, атомы отрывались от решетки и покидали резонатор.

Измеряя импульсы этих атомов с помощью детектора времени пролета и сопоставляя их с частотами пробного лазера, физики восстановили дисперсионные соотношения фононов в структуре.

Построив их для малых импульсов, исследователи убедились в линейном и бесщелевом характере дисперсии фононов. Физики также вычислили соответствующую скорость звука: она оказалась равна 16 сантиметрам в секунду, что в десятки тысяч раз меньше, чем в обычных кристаллах при нормальных условиях. Авторы отмечают, что если проведенный ими эксперимент повторить с другими спиновыми состояниями, либо с фермионными атомами, то это откроет возможность для симуляции электрон-фононных взаимодействий.