یک طرح لیزری بیش از صد مُد ارتعاشی یک بلور دو بعدی را تا نزدیک به حالت پایه‌ی مکانیک کوانتومی‌شان سرد می‌کند.

برای دهه‌ها، پژوهشگران در تلاش بود‌ه‌اند تا نوسانگرهای مکانیکیِ ماکروسکوپی را تا حالت پایه‌ی مکانیک کوانتومیِ آن‌ها سرد کنند. اما تاکنون فقط موفق به سرد کردن چند مد ارتعاشی انتخابی از چنین نوسانگرهایی شده‌اند. اکنون، النا جوردن Elena Jordan و همکارانش از موسسه ملی استاندارد و فناوری در بولدرِ کلورادو، همزمان همه‌ی مدهای پوسته-طبلی (drumhead) از یک بلور دوبعدی نازک و ساخته شده از 150 یونِ به تله افتاده‌ی بریلیوم (Be⁺) را سرد کرده‌اند. سردسازیِ این مدها -که شبیه به مدهای ارتعاشیِ بیرون از صفحه در یک پوسته‌ی طبل است- می‌تواند منجر به استفاده از بلور‌های بزرگِ یون‌-تله‌ای در کاربردهایی نظیر مقیاس‌سنجی و شبیه‌سازی کوانتومی شود.

این محققان با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی یک شبکه دوبعدی از یون‌های گیرافتاده‌ی Be⁺ ساختند. برای سرد کردن ارتعاشات شبکه، تیم تحقیق از یک طرح سردسازیِ لیزری استفاده کرد که با به کارگیریِ اثرات تداخل کوانتومی بین ترازهای چندگانه‌ی انرژی در اتم‌ها، انرژی جنبشی یون‌ها را کاهش می‌دهد. پژوهشگران قبلا نسخه‌ای از این روش را همزمان برای کاهش انرژیِ درجات آزادی چندگانه‌ی حرکتی و سرد کردن مدهای ارتعاشیِ یک رشته‌‌‌ی خطی از 18 اتم به کار برده بودند. حالا جوردن و همکارانش نشان داده‌‌اند که این طرح می‌تواند سیستم‌های ماکروسکوپیکی با صدها اتم را سرد کند. آن‌ها همزمان همه‌ی 150 مد ارتعاشیِ پوسته-طبلی در آرایه ای از یون‌های Be⁺ را بی‌حرکت کردند.

پژوهشگران این گروه در آزمایشهایشان تنها مدهای پوسته-طبلی را سرد کردند و به عنوان مثال ارتعاشاتِ در صفحه‌ دست نخورده باقی ماند. اما آنها می‌گویند که بی‌حرکت کردن مدهای پوسته-طبلی به طور ویژه‌ برای کاربردهای شبیه سازی کوانتومی در بلورهای یونی سودمند است. مثلا داشتن مدهای پوسته-طبلی با دامنه‌ی کمتر می‌تواند باعث شود تا بلور‌های یونی به طور دقیق‌تری مدل آیزینگ را -که سیستمی از اسپین‌های برهمکنش کننده در شبکه را توصیف می‌کند- شبیه سازی کنند‏.

این تحقیق در Physical Review Letters به چاپ رسیده است.

منبع

Freezing a 2D Ion Crystal