Физики Университета Штутгарта установили сразу три рекорда для циркулярных ридберговских атомов. Учёным удалось добиться максимальных размеров таких атомов, самой продолжительной продолжительности их существования и рекордного времени удержания в лазерной ловушке. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications, о работе сообщил SciTechDaily.
Ридберговский атом образуется, когда электрон переходит на уровень, значительно удалённый от ядра. Из-за этого его размеры оказываются в несколько тысяч раз больше обычных атомов, а взаимодействие с соседними частицами распространяется примерно на 5 мкм. Такая особенность делает ридберговские атомы перспективными для нейтрально-атомных квантовых технологий, где частицы удерживают и контролируют лазерным светом.
Штутгартская группа исследовала циркулярные ридберговские атомы, в которых электрон движется по орбите вокруг ядра. Диаметр таких орбит достигал примерно 1,1 мкм — приблизительно в 10 тысяч раз больше размеров орбит электронов в обычных атомах. «Мы одновременно установили три международных рекорда: самую большую измеренную продолжительность жизни отдельных ридберговских атомов, самые крупные управляемые циркулярные ридберговские атомы и самое длительное удержание таких атомов в оптических пинцетах», — заявил руководитель группы доктор Флориан Майнерт.
Возбуждённое состояние атомов сохранялось 11 миллисекунд, что более чем в 20 раз превышает показатели сопоставимых состояний в свободном пространстве. В отдельном эксперименте атомы оставались в оптической ловушке 133 миллисекунды. Эти значения характеризуют разные параметры: первое показывает устойчивость возбуждённого состояния, а второе — длительность удержания частицы лазерной системой.
Главной проблемой для экспериментов при комнатной температуре было тепловое излучение окружающих поверхностей, включая микроволны, способные нарушать состояние атомов. Вместо дорогостоящего охлаждения жидким гелием исследователи использовали экранирование: частицы поместили между двумя прозрачными электропроводящими пластинами, подавляющими мешающее излучение. «Мы добились рекордных результатов при комнатной температуре без дорогостоящего охлаждения жидким гелием, которое требовалось ранее», — сказал Майнерт.
По словам профессора Тильмана Пфау, стабильность атомов удалось увеличить в 20 раз. «Эти достижения могут сыграть важную роль в создании квантовых симуляторов и квантовых компьютеров», — отметил он. Исследователи считают, что более долгоживущие ридберговские состояния позволят дольше сохранять квантовую информацию, точнее управлять взаимодействиями и выполнять расчёты с меньшим числом ошибок; разработанную в Штутгарте установку также планируют применять для создания квантовых компьютеров, симуляторов и высокоточных квантовых сенсоров.