90后中国青年学者，以唯一通讯发Science，来自诺奖得主团队!
2024-05-07
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把两个原子靠近
邻近性是许多量子现象的关键，因为当粒子靠近时，原子之间的相互作用更强。在许多量子模拟器中，科学家将原子尽可能紧密地排列在一起，以探索奇异的物质状态并构建新的量子材料。
他们通常通过将原子冷却至静止状态，然后使用激光将粒子定位为相距近 500 纳米（这是由光的波长设定的限制）来实现这一点。现在，麻省理工学院2001年诺贝尔物理学奖获得者Wolfgang Ketterle教授、 Du li博士（本文一作兼唯一通讯，本科毕业于南京大学）已经开发出一种技术，可以让他们将原子排列得更接近，小至仅 50 nm。相关研究成果以题为“Atomic physics on a 50-nm scale: Realization of a bilayer system of dipolar atoms”发表在最新一期《Science》上。
具体而言，他们实现了一种超分辨率技术，可以在亚50纳米尺度上定位和排列原子，而分辨率没有任何基本限制。研究人员通过创建镝原子双层并通过层间交感冷却和耦合集体激发观察两个物理分离层之间的偶极相互作用来演示这项技术。在50nm距离处，偶极相互作用比500 nm处强1000倍。对于光镊中的两个原子，这应该能够实现具有千赫兹速度的纯磁偶极门。
【双层系统的创建】
图1中的实验装置说明了使用两个具有相反圆偏振（s+和s−）的光学驻波创建的双层结构。该装置允许通过调整两束激光束之间的频率差（Δ）来精确控制层间距离。描绘了各种自旋态（mJ=-8至mJ=+8）的绝热势，揭示了势能水平如何随不同层间距离而变化。镝(Dy)的矢量和张量极化率是隔离mJ=±8态的关键，尽管两层很接近，但它们仍能实现牢固的分离。关键点在于：层间距离可以以亚50纳米的精度控制。Dy的极化性可防止层间干扰，从而保持mJ=±8态作为局部基态。双极化、双频率设置避免了势阱的合并，即使对于低于λ/10的分离也是如此。
图 1. 亚波长双层阵列的创建
【空间控制】
作者通过测量不同层间距的原子样品的寿命来演示对双层几何结构的亚波长空间控制。图2中损失率随层间距离s变化的尖峰本质上是两层密度分布之间的卷积。作者从损耗测量中得出结论，对于s≥50nm，两层可以被视为主要通过远程偶极力耦合。在此间隔下具有相反自旋的两个Dy原子之间的偶极能量Udd/h为20kHz。这种几何结构现在使作者能够研究具有强层间偶极子-偶极子相互作用的物理学。在零分离处观察到损失率的尖峰，表明层的重叠。损失率的高斯拟合提供了层厚度的测量值，结果约为19nm，与理论预期一致。随着层的分离，损失率呈指数下降，证实了对亚50nm分离的精确控制。将损失率与层间分离作图，结果表明，当层重叠时，损失率明显更高。
图 2. 层间距离的亚波长控制，通过将原子损失记录为层间距的函数来证明
【层间热化】
研究人员进一步研究通过层间偶极相互作用或由真空分隔的两个原子系统之间的交感冷却的能量转移。每层通过另一层中的偶极子产生的波动磁场接收热量。对于相同的温度，在详细的平衡中，热流相互抵消。对于不等的温度，偶极波动会导致热化。将σ+层加热到3.9μK，同时将σ−层保持在1.7μK。记录不同距离的层间热化速率。图3B显示了实验结果实验结果紧密遵循基于理论偶极截面的预期速率。作者得出结论：随着距离的增加，热化速率急剧下降，偶极相互作用主导传热。观察到的速率与考虑偶极截面和有限层厚度的理论预测密切相关。即使间距超过50nm，偶极相互作用也会促进层间热化。
图 3. 层间热化的观察
【耦合集体振荡】
在第二个实验中，作者寻找双层系统的耦合集体振荡。事实上，当他们在一层中激发横向振荡时，研究人员发现它们引起了另一层的振荡（图4）。图4显示了从弹道膨胀图像获得的s=62nm处各层速度随时间的演变。σ+层的谐振振荡显示出阻尼，而σ−层则开始静止并显示出不断增长的同相振荡。具体而言，σ−层中的耦合振荡镜像了σ+层中的耦合振荡，但存在相位差，表明存在显着的偶极耦合。相对运动的阻尼常数与之前观察到的热化时间一致，证实偶极碰撞是主要原因。这些观察结果验证了层间偶极耦合的理论预测，但耦合比最初预期的更强、更持久。
图 4. 62 nm 层间距离处两层耦合振荡的观察
【总结】
本文开发的技术应该适用于所有在基态下具有电子轨道角动量的原子，并允许在足够远的失谐下进行强矢量和张量交流斯塔克位移。尽管它要求两层处于不同的自旋态，但这些态可以通过横向磁场倾斜到20°以内的角度。具有面内量化轴的修改方案可以实现有吸引力的相互作用和层间配对。
展望未来，较低的温度应该会导致各层之间存在超出平均场描述的强相关性。在层中添加横向光学晶格将在同一晶格位置上的对之间产生巨大的排斥相互作用能，但也可以实现由粒子和空穴之间的吸引相互作用描述的系统，类似于双层激子中的电子-空穴对。可以将单独的任意势投射到σ+和σ−层中，这可以实现扭曲的双层势和更一般的几何形状，包括准晶体。通过这些几何结构，可以研究许多预测到的相互作用双电层现象。将超分辨技术应用于光学镊子，就能在比光学波长小得多的距离上研究超辐射和辐射偏移，以及研究两个孤立原子之间的磁相互作用和自旋交换，最近已用极性分子完成了这项研究。镊子装置可以推广到交替处于自旋上升和自旋下降状态的原子线性阵列。来回移动自旋上升的原子可提供沿链的全面连接，并实现近邻间具有强磁耦合的自旋链。这些想法可以推广到更高的维度。
