Uma ilustração do que acontece com o cristal de íon quando ele é resfriado por EIT. Pela simplicidade, apenas os íons na linha central do cristal são mostrados, mas deve-se imaginar um íon em cada intersecção da rede. Inicialmente, o cristal está se curvando para cima e para baixo como uma pele vibrante. Este é um exemplo de modo de pele de tambor. Então, os pesquisadores aplicam os lasers de resfriamento (linhas vermelhas). Devido ao alinhamento dos lasers, a direção do resfriamento é perpendicular ao plano do cristal, paralelo à direção do movimento da pele do tambor. Após o resfriamento, a amplitude do movimento da pele do cristal é muito pequena e na figura ele é representado como quase plano. Crédito:Jordan et al.
Os pesquisadores têm tentado resfriar os osciladores mecânicos macroscópicos ao seu estado fundamental por várias décadas. Apesar disso, estudos anteriores apenas alcançaram o resfriamento de alguns modos vibracionais selecionados de tais osciladores.
Uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Colorado Boulder realizou recentemente um estudo investigando o resfriamento próximo ao estado fundamental de cristais de íons presos bidimensionais (2-D) com mais de 100 íons. O sucesso de seu experimento de resfriamento estabelece a base para simulações quânticas aprimoradas e detecção com matrizes 2-D de centenas de íons presos dentro de uma armadilha Penning.
Armadilhas de penetração são dispositivos que podem armazenar partículas carregadas aplicando um forte campo magnético. Esses dispositivos podem controlar cristais de dezenas a centenas de íons, uma qualidade que os torna simuladores quânticos versáteis. Em seu estudo, os pesquisadores do NIST e da UC Boulder conseguiram resfriar todos os modos de 'pele de tambor' de um cristal 2-D fino com mais de 150 berílio (Be + ) íons, armazenado dentro de uma armadilha Penning.
"Usamos o resfriamento a laser Doppler para resfriar os íons perto do limite de resfriamento Doppler. Nessas baixas temperaturas, os íons formam naturalmente um cristal de Coulomb, "Elena Jordan, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Um cristal com íons N tem modos de movimento 3N. Os modos 2N estão no plano do cristal e parecem redemoinhos ou distorções, N modos são perpendiculares ao plano do cristal e parecem modos de pele de tambor. Para simulações quânticas, acoplamos esses modos de pele de tambor aos giros dos íons. "
Os pesquisadores observaram que baixar a temperatura dos modos da pele do tambor abaixo do limite Doppler poderia melhorar as simulações quânticas de modelos de spin 2-D. Eles, portanto, se propuseram a implementar uma técnica de resfriamento sub-Doppler eficiente, o que lhes permitiria resfriar os íons até a temperatura mais baixa possível.
"Recentemente, Regina Lechner et al. na Universidade de Innsbruck, Áustria, cadeias lineares resfriadas de 18 íons com resfriamento de transparência induzida eletromagneticamente (EIT), "Jordan disse." Isso nos encorajou a pensar sobre a aplicação desta técnica a sistemas bidimensionais com centenas de íons. "
Inspirado por pesquisas anteriores realizadas na Universidade de Innsbruck, Jordan e seus colegas Athreya Shankar, Arghavan Safavi-Naini e Murray Holland da JILA começaram a estudar teoricamente a possibilidade do EIT resfriar todos os modos da pele de um cristal de íon 2-D que está girando dentro de uma armadilha Penning. Eles logo descobriram que a teoria existente era insuficiente para descrever o processo de resfriamento desse sistema e, assim, começaram a desenvolver novos modelos.
"Athreya desenvolveu novos modelos teóricos e executou simulações que mostraram que o resfriamento de todos os modos de pele de tambor deve ser possível sem alterar os parâmetros experimentais para o resfriamento, isso significa que nenhuma mudança de frequência ou variação de potência do laser deve ser necessária, "Jordan explicou." Surpreendentemente, a teoria prevê que o resfriamento de um cristal de íons múltiplos deve ser mais rápido do que o resfriamento de um único íon. Nossos resultados nos encorajaram a implementar o resfriamento EIT e os experimentos posteriores mostraram que o resfriamento não só funciona muito bem nas simulações, mas também em nossa verdadeira armadilha Penning. "
O experimento descrito no estudo foi realizado por Jordan ao lado de seus colegas Kevin Gilmore, Justin Bohnet e John Bollinger, em seu laboratório no NIST. Os íons de berílio foram confinados ao longo do eixo de sua armadilha Penning por um campo elétrico estático, bem como por um forte campo magnético (4,5 T), paralelo ao eixo da armadilha. O movimento dos íons no campo magnético leva a uma força de Lorentz, fazendo com que os íons girem na armadilha, enquanto permanece confinado radialmente.
"Para refrigeração EIT, usamos dois lasers para acoplar os estados atômicos em Berílio de uma forma que leva à interferência quântica e cria um chamado 'estado escuro' que não se acopla aos lasers e pode ser usado para resfriamento EIT, "Jordan explicou." Os dois feixes vêm do lado em um ângulo de ± 10 graus em relação ao plano do cristal. "
Um corte através da armadilha Penning usada pelos pesquisadores, com feixes de laser para resfriamento e medição de temperatura. Crédito:Jordan et al.
A rotação dos íons na armadilha Penning causa um deslocamento Doppler variável no tempo das frequências do laser. Para obter um resfriamento eficiente, apesar desta mudança Doppler, os pesquisadores desafinaram os lasers da ressonância atômica maior do que o deslocamento máximo do Doppler e ajustaram as potências do laser para que a condição de resfriamento do EIT pudesse ser satisfeita.
Eles mediram a temperatura dos íons usando um par adicional de feixes de laser, que acoplava os giros dos íons ao movimento da pele do seu corpo. Esse acoplamento leva a um sinal de defasagem de spin que pode ser medido e usado para extrair a temperatura dos íons.
"Depois de 200 microssegundos de resfriamento EIT, todos os modos de pele de tambor do cristal de íon são resfriados perto do estado fundamental, como podemos ver comparando os dados experimentais com o modelo teórico, "Jordan disse." O resfriamento é tão eficiente quanto a teoria previa e o resfriamento de todos os modos da pele do tambor é alcançado sem alterar os parâmetros experimentais. "
O experimento realizado por Jordan e seus colegas produziu resultados notáveis, confirmando suas previsões teóricas. A taxa de resfriamento medida por eles foi mais rápida do que a prevista pela teoria de partícula única, mas era consistente com um cálculo quântico de muitos corpos.
"Os resultados do nosso estudo são importantes tanto do ponto de vista fundamental quanto prático, "Athreya Shankar, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "De uma perspectiva fundamental, O resfriamento de osciladores mecânicos perto de seu estado fundamental quântico tem sido buscado ativamente por três décadas. Embora vários experimentos tenham conseguido resfriar um ou alguns modos de movimento próximos ao estado fundamental, resfriar simultaneamente muitos modos de um oscilador de médio ou grande porte continua sendo um desafio. Ao resfriar todos os modos de pele de tambor de grandes cristais de íons perto de seu estado fundamental quântico, preparamos um oscilador de íon mesoscópico aprisionado cujo movimento foi quase congelado até o ponto fundamentalmente permitido pela mecânica quântica. "
De acordo com Athreya, o estudo realizado por ele e seus colegas também pode ter implicações práticas importantes. O resfriamento EIT transforma seu cristal de íon aprisionado em uma plataforma aprimorada para simulações quânticas e detecção, reduzindo significativamente o movimento térmico de fundo que normalmente prejudica o desempenho dos protocolos científicos.
"O sucesso de nosso experimento mostra que o resfriamento EIT é uma técnica robusta que não se limita apenas a um ou alguns íons em uma armadilha, "Athreya explicou." O sucesso da técnica com centenas de íons em um ambiente desafiador como a armadilha de Penning é uma indicação encorajadora de que grandes cristais de íons em outros experimentos de íons presos também poderiam ser resfriados com eficiência e usados para sondar elementos fundamentais e de muitos corpos física quântica."
Os pesquisadores estão trabalhando atualmente no uso de seu cristal de íon como um detector sensível de campos elétricos. Campos elétricos muito fracos podem ser produzidos por alguns candidatos de matéria escura, como fótons e axions ocultos, portanto, seu aparato poderia ajudar na busca de matéria escura.
"Também vamos voltar às interações de engenharia entre nossos íons para simular física complicada no laboratório que é difícil ou impossível de modelar em um computador clássico (não quântico) - a chamada 'simulação quântica', "Gilmore disse ao Phys.org." Em ambas as atividades, O resfriamento do EIT terá um papel importante para nós. Para o experimento de detecção de campo elétrico, usamos o movimento dos íons causados pelas forças elétricas exercidas sobre eles para fazer nossa medição. "
Os íons têm movimento térmico, que depende de sua temperatura, e isso pode ser uma fonte de ruído em experimentos. Os pesquisadores descobriram que o resfriamento EIT pode reduzir esse sinal de fundo causado pelo movimento térmico, melhorando e simplificando as medições. Em um estudo anterior, os pesquisadores detectaram com sucesso campos elétricos fracos usando um método semelhante ao usado para a medição de temperatura. No futuro, o mesmo aparelho pode ser usado para detectar campos elétricos ainda mais fracos, bem como potencialmente para pesquisar novas físicas.
"Experimentos de simulação quântica também se beneficiam desse ruído térmico reduzido, "Gilmore explicou." Esses experimentos dependem da produção de correlações quânticas frágeis, ou links, entre os íons. Esses links podem ser interrompidos ou destruídos por movimento térmico, o que degrada a qualidade da simulação. Então novamente, chegar a temperaturas mais baixas é útil. "
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