Une illustration de ce qui arrive au cristal ionique lorsqu'il est refroidi par EIT. Pour la simplicité, seuls les ions de la rangée centrale du cristal sont affichés, mais il faut imaginer un ion à chaque intersection du réseau. Initialement, le cristal se plie de haut en bas comme une peau de tambour vibrante. Ceci est un exemple de mode de peau de tambour. Puis, les chercheurs appliquent les lasers de refroidissement (lignes rouges). En raison de l'alignement des lasers, la direction du refroidissement est perpendiculaire au plan cristallin, parallèle à la direction du mouvement de la peau du tambour. Après le refroidissement, l'amplitude du mouvement de la peau de tambour du cristal est très faible et sur la figure, il est représenté comme presque plat. Crédit :Jordan et al.
Les chercheurs tentent depuis plusieurs décennies de refroidir les oscillateurs mécaniques macroscopiques jusqu'à leur état fondamental. Néanmoins, des études antérieures ont simplement atteint le refroidissement de quelques modes de vibration sélectionnés de tels oscillateurs.
Une équipe de chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Colorado Boulder a récemment mené une étude sur le refroidissement proche de l'état fondamental de cristaux d'ions piégés bidimensionnels (2-D) avec plus de 100 ions. Le succès de leur expérience de refroidissement jette les bases d'améliorations des simulations quantiques et de la détection avec des réseaux 2D de centaines d'ions piégés à l'intérieur d'un piège de Penning.
Les pièges de Penning sont des dispositifs qui peuvent stocker des particules chargées en appliquant un champ magnétique puissant. Ces appareils peuvent contrôler des cristaux de dizaines à centaines d'ions, une qualité qui en fait des simulateurs quantiques polyvalents. Dans leur étude, les chercheurs du NIST et de l'UC Boulder ont réussi à refroidir tous les modes « tête de tambour » d'un mince cristal 2-D avec plus de 150 béryllium (Be + ) ions, stocké dans un piège Penning.
"Nous avons utilisé le refroidissement laser Doppler pour refroidir les ions proches de la limite de refroidissement Doppler. À ces basses températures, les ions forment naturellement un cristal de Coulomb, " Hélène Jordan, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Un cristal avec N ions a 3N modes de mouvement. Les 2N modes sont dans le plan du cristal et ressemblent à des tourbillons ou des distorsions, N modes sont perpendiculaires au plan du cristal et ressemblent à des modes de peau de tambour. Pour les simulations quantiques, nous couplons ces modes de peau de tambour aux spins des ions."
Les chercheurs ont observé que la baisse de la température des modes de peau de tambour en dessous de la limite Doppler pourrait améliorer les simulations quantiques des modèles de spin 2D. Ils ont donc entrepris de mettre en œuvre une technique de refroidissement sub-Doppler efficace, ce qui leur permettrait de refroidir les ions à la température la plus basse possible.
"Récemment, Régina Lechner et al. à l'Université d'Innsbruck, L'Autriche, des chaînes linéaires refroidies de 18 ions avec un refroidissement par transparence induite électromagnétiquement (EIT), " a déclaré Jordan. "Cela nous a encouragés à penser à appliquer cette technique à des systèmes bidimensionnels avec des centaines d'ions."
Inspiré des recherches antérieures menées à l'Université d'Innsbruck, Jordan et ses collègues Athreya Shankar, Arghavan Safavi-Naini et Murray Holland du JILA ont commencé à étudier théoriquement la possibilité d'un refroidissement par EIT de tous les modes de peau de tambour d'un cristal ionique 2D qui tourne à l'intérieur d'un piège de Penning. Ils ont rapidement découvert que la théorie existante était insuffisante pour décrire le processus de refroidissement de ce système et ont donc commencé à développer de nouveaux modèles.
"Athreya a développé de nouveaux modèles théoriques et a effectué des simulations qui ont montré que le refroidissement de tous les modes de peau de tambour devrait être possible sans modifier les paramètres expérimentaux pour le refroidissement, cela signifie qu'aucun décalage de fréquence ou variation de puissance laser ne devrait être requis, " tement La théorie prédit que le refroidissement d'un cristal à plusieurs ions devrait être plus rapide que le refroidissement d'un seul ion. Nos résultats nous ont encouragés à mettre en œuvre le refroidissement EIT et les expériences ont montré plus tard que le refroidissement fonctionne non seulement très bien dans les simulations, mais aussi dans notre véritable piège Penning."
L'expérience décrite dans l'étude a été menée par Jordan aux côtés de ses collègues Kevin Gilmore, Justin Bohnet et John Bollinger, dans leur laboratoire au NIST. Les ions béryllium étaient confinés le long de l'axe de leur piège de Penning par un champ électrique statique, ainsi que par un fort champ magnétique (4,5 T), parallèle à l'axe du piège. Le mouvement des ions dans le champ magnétique conduit à une force de Lorentz, faire tourner les ions dans le piège, tout en restant radialement confiné.
"Pour le refroidissement EIT, nous avons utilisé deux lasers pour coupler les états atomiques dans le béryllium d'une manière qui conduit à des interférences quantiques et crée un «état sombre» qui ne se couple pas aux lasers et peut être utilisé pour le refroidissement EIT, " expliqua Jordan. " Les deux faisceaux arrivent par le côté à un angle de ±10 degrés par rapport au plan du cristal. "
Une coupe à travers le piège Penning utilisé par les chercheurs, avec faisceaux laser pour le refroidissement et la mesure de la température. Crédit :Jordan et al.
La rotation des ions dans le piège de Penning provoque un décalage Doppler variable dans le temps des fréquences laser. Pour obtenir un refroidissement efficace malgré ce décalage Doppler, les chercheurs ont désaccordé les lasers à partir de la résonance atomique supérieure au décalage Doppler maximal et ont ajusté les puissances laser afin que la condition de refroidissement de l'EIT puisse être remplie.
Ils ont mesuré la température des ions à l'aide d'une paire supplémentaire de faisceaux laser, qui a couplé les spins des ions à leur mouvement de peau de tambour. Ce couplage conduit à un signal de déphasage de spin qui peut être mesuré et utilisé pour extraire la température des ions.
"Après 200 microsecondes de refroidissement EIT, tous les modes de peau de tambour du cristal ionique sont refroidis à proximité de l'état fondamental, comme on peut le voir en comparant les données expérimentales au modèle théorique, " a déclaré Jordan. " Le refroidissement est aussi efficace que la théorie l'avait prédit et le refroidissement de tous les modes de peau de tambour est obtenu sans modifier les paramètres expérimentaux. "
L'expérience menée par Jordan et ses collègues a donné des résultats remarquables, confirmant leurs prédictions théoriques. La vitesse de refroidissement mesurée par eux était plus rapide que celle prédite par la théorie des particules simples, mais était compatible avec un calcul quantique à plusieurs corps.
"Les résultats de notre étude sont importants d'un point de vue tant fondamental que pratique, " Athreya Shankar, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. « D'un point de vue fondamental, le refroidissement d'oscillateurs mécaniques proches de leur état fondamental quantique est activement recherché depuis maintenant trois décennies. Alors que plusieurs expériences ont réussi à refroidir un ou quelques modes de mouvement proches de l'état fondamental, refroidir simultanément de nombreux modes d'un oscillateur de taille moyenne ou grande est resté un défi. En refroidissant tous les modes de peau de tambour de gros cristaux ioniques proches de leur état fondamental quantique, nous avons préparé un oscillateur à ions piégés mésoscopique dont le mouvement a été presque gelé dans la mesure fondamentalement permise par la mécanique quantique."
Selon Athreya, l'étude menée par lui et ses collègues pourrait également avoir d'importantes implications pratiques. Le refroidissement EIT transforme leur cristal ionique piégé en une plate-forme améliorée pour les simulations et la détection quantiques, réduisant considérablement le mouvement thermique de fond qui entrave généralement la performance des protocoles scientifiques.
"Le succès de notre expérience montre que le refroidissement EIT est une technique robuste qui ne se limite pas à un ou quelques ions dans un piège, " Athreya a expliqué. " Le succès de la technique avec des centaines d'ions dans un environnement difficile comme le piège de Penning est une indication encourageante que les gros cristaux d'ions dans d'autres expériences d'ions piégés pourraient également être efficacement refroidis et utilisés pour sonder les fondamentaux et les corps à plusieurs corps. la physique quantique."
Les chercheurs travaillent actuellement sur l'utilisation de leur cristal ionique comme détecteur sensible aux champs électriques. Des champs électriques très faibles peuvent être produits par certains candidats à la matière noire, tels que les photons et les axions cachés, par conséquent, leur appareil pourrait aider à la recherche de matière noire.
"Nous reviendrons également à l'ingénierie des interactions entre nos ions pour simuler une physique compliquée en laboratoire qui est difficile ou impossible à modéliser sur un ordinateur classique (non quantique) - ce qu'on appelle la" simulation quantique ", " Gilmore a déclaré à Phys.org. " Dans les deux activités, Le refroidissement EIT jouera un rôle important pour nous. Pour l'expérience de détection de champ électrique, nous utilisons le mouvement des ions provoqué par les forces électriques exercées sur eux pour effectuer notre mesure. »
Les ions ont un mouvement thermique, qui dépend de leur température, et cela peut être une source de bruit dans les expériences. Les chercheurs ont découvert que le refroidissement EIT peut réduire ce signal de fond causé par le mouvement thermique, améliorer et simplifier les mesures. Dans une étude antérieure, les chercheurs ont réussi à détecter des champs électriques faibles en utilisant une méthode similaire à celle utilisée pour leur mesure de température. À l'avenir, le même appareil pourrait être utilisé pour détecter des champs électriques encore plus faibles, ainsi que potentiellement pour rechercher une nouvelle physique.
"Les expériences de style simulation quantique bénéficient également de ce bruit thermique réduit, " expliqua Gilmore. " De telles expériences reposent sur la production de corrélations quantiques fragiles, ou des liens, entre les ions. Ces liaisons peuvent être rompues ou détruites par des mouvements thermiques, ce qui dégrade la qualité de la simulation. Donc encore, atteindre des températures plus basses est utile."
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