Физики из международной исследовательской группы, работающей в Институте Пауля Шеррера (PSI), впервые экспериментально зафиксировали оптический эффект Магнуса на атомном уровне. Для этого они сфокусировали лазерный луч на одиночном ионе и измерили параметры его взаимодействия со светом. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Эффект Магнуса хорошо знаком любителям настольного тенниса: закрученный мяч летит по искривлённой траектории. Похожее явление влияет и на полёт мяча в футболе. Однако в новом эксперименте речь идёт не об искривлении пути атома, а о смещении точки наиболее интенсивного взаимодействия лазера с ионом — она немного уходит в сторону. Это открытие может оказаться важным для квантовых компьютеров, где лазерный свет применяется для предельно точного управления кубитами.
Казалось бы, ион должен сильнее всего взаимодействовать с лазером точно в самой яркой точке пучка. Но при острой фокусировке структура электромагнитного поля света усложняется, и максимум взаимодействия смещается от центра вбок. Это боковое смещение и представляет собой оптический аналог эффекта Магнуса. Если его не учитывать, он способен вносить помехи в управление квантовыми состояниями и приводить к ошибкам.
Вместе с тем эффект может принести и пользу. «Силы, которые он создаёт, можно использовать для связи кубитов друг с другом, что позволит проводить более сложные вычисления», — поясняет первый автор работы Филип Лайндекер из Центра фотонной науки PSI и физического факультета ETH Zurich.
Чтобы обнаружить явление, учёные применили одиночный ион кальция в качестве сверхчувствительного зонда. Электрически заряженную частицу почти обездвижили в ионной ловушке, удерживающей её с помощью электромагнитных полей. Такие ловушки широко используются в квантовых вычислениях: ионы служат кубитами, а их состояния меняют точно выверенными лазерными импульсами. В ходе опыта ион кальция перемещали по разным участкам остро сфокусированного луча и замеряли силу взаимодействия со светом в каждой точке.
«Наш ион действует как крошечный сенсор, которым мы ощупываем структуру лазерного света, — говорит Лайндекер. — Это позволяет измерять смещение всего в несколько сотен нанометров». Измерения выявили ещё одну неожиданную деталь: величина бокового сдвига зависит только от длины волны света, а не от степени фокусировки пучка. Теоретически оптический эффект Магнуса несколько лет назад предсказали исследователи из Амстердамского университета. Теперь команда с помощью пойманного иона кальция впервые наблюдала его на практике и детально измерила его поведение, о чём сообщает ScienceDaily.