Точная визуализация систем многих тел
Точная визуализация систем многих тел, состоящих из множества взаимодействующих частиц, может помочь подтвердить теоретические модели и лучше понять, как отдельные частицы в этих системах влияют друг на друга. Ультрахолодные квантовые газы, состоящие из атомов, охлаждённых до температур, близких к абсолютному нулю, являются одними из наиболее перспективных экспериментальных платформ для изучения взаимодействий многих тел.
Метод визуализации отдельных атомов
Для изучения этих газов большинство физиков используют метод, известный как визуализация с разрешением отдельных атомов, который позволяет им обнаруживать отдельные атомы и исследовать корреляции в их поведении. Несмотря на свои преимущества, этот метод визуализации имеет относительно низкое разрешение, поэтому он не улавливает более тонкие особенности системы.
Новая стратегия увеличения волновых функций атомов
Исследователи из Гейдельбергского университета недавно разработали новую стратегию увеличения волновых функций атомов, предлагая математическое описание квантового состояния системы, которое может помочь преодолеть ограничения традиционных методов визуализации отдельных атомов.
Их подход, представленный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, был успешно использован для непосредственного изображения сильно взаимодействующих ультрахолодных атомов в микроскопическом масштабе, проливая новый свет на их организацию и корреляции между ними.
«Мотивацией для нашего исследования было добавление возможности напрямую определять положение отдельных атомов в нашей системе», — рассказала Phys.org Сандра Брандштеттер, первый автор статьи. «В более ранних экспериментах мы уже могли измерять их импульсы с разрешением отдельных атомов, но когда дело доходило до положения, разрешение нашего метода визуализации было недостаточным: начальное облако атомов было примерно такого же размера, как и разрешение нашей оптической системы визуализации, поэтому без увеличения всё, что мы видели, было бы одной бесформенной каплей».
Суть подхода
По сути, Брандштеттер и её коллеги намеревались разработать новый подход, который позволил бы им надёжно «увеличить» систему многих тел до её изучения с помощью визуализации отдельных атомов. Такая стратегия может позволить наблюдать скрытые пространственные структуры в системе, которые в противном случае остались бы незамеченными.
«Идея, лежащая в основе нашего подхода, тесно связана с тем, как работает оптический микроскоп: две линзы объединены для получения увеличенного изображения», — объяснила Брандштеттер. «В нашем случае вместо стеклянных линз мы используем два тщательно сконструированных лазерных потенциала, которые позволяют волновой функции атомов расширяться контролируемым образом».
«Регулируя эти „линзы“, мы можем изменить разрешение или поле зрения, но, как и в оптике, даже небольшие смещения могут исказить изображение. Благодаря тщательной настройке мы достигли чёткого увеличения, которое выявило пространственные структуры, ранее скрытые от глаз».
Для оценки предложенного метода и демонстрации его потенциала Брандштеттер и её коллеги использовали его для изучения квантовых систем с хорошо установленными волновыми функциями. Это включало систему, состоящую из двух взаимодействующих атомов, и систему с шестью невзаимодействующими фермионами внутри гармонической ловушки.
Примечательно, что результаты эксперимента команды были тесно связаны с теоретическими предсказаниями и тем, что известно о двух системах. Это говорит о том, что их схема увеличения работает, надёжно расширяя волновые функции атомов.
«Теперь у нас есть общий метод для выявления микроскопических структур в ультрахолодных атомных системах, которые ранее были скрыты из-за ограничений оптического разрешения», — сказала Брандштеттер. «Важным преимуществом нашего подхода является то, что он может быть легко принят другими группами, поэтому мы написали статью в виде своего рода инструкции, чтобы помочь с реализацией».
«Например, исследователи, изучающие атомы с дальнодействующими дипольными взаимодействиями, часто используют чрезвычайно малые расстояния между узлами решётки — слишком малые для прямого изображения. Наша схема увеличения позволяет наблюдать и анализировать эти взаимодействия в реальном пространстве, открывая двери для новых типов измерений и более прямых сравнений с теорией».
Это недавнее исследование открывает захватывающие возможности для будущих исследований и моделирования сильно взаимодействующих квантовых систем. Брандштеттер и её коллеги в настоящее время проводят дополнительное исследование, в котором они будут использовать свой метод для изучения того, как образуются пары фермионных атомов.
«Это микроскопический механизм, лежащий в основе сверхтекучести», — добавила Брандштеттер. «С помощью нашего метода увеличения мы теперь можем отслеживать этот процесс как в импульсном пространстве, так и в реальном пространстве, предлагая беспрецедентное понимание того, как развивается спаривание в системах конечного размера. Этот вопрос даже связывает наш эксперимент с ультрахолодными атомами с ядерной физикой».