Спининг атомов в световых кристаллах
На рисунке: Циклотронные орбиты атомов подвергаются чрезвычайно сильным эффективным магнитным полям в специально разработанных световых кристаллах. Эффективная напряженность поля реализуемая в эксперименте соответствуют десяткам тысяч Тесла магнитного поля, приложенного к реальному материалу. В эксперименте может быть реализован известный как квантовый спиновый холловский гамильтониан или Хофстадтера-Харпера .
Более сорока лет интенсивных исследований физики-экспериментаторы уже стремятся исследовать богатое поведение электронов ограниченное двумерной кристаллической структурой под воздействием больших магнитных полей. Сейчас команда ученых во главе с Иммануэлем Блохом (кафедра экспериментальной физики мюнхенского университета Людвига-Максимиллиана) и физиком-теоретиком доктором Белен Паредесом (CSIC/UAM Мадрид) разработали новый экспериментальный метод для имитирования этих систем на кристалле, выполненном из нейтральных атомов и лазерного света. В таком необычном квантовом вопросе, атомы могут подвергаться воздействию однородного магнитного поля в несколько тысяч раз больше, чем типичные поля в конденсированных средах.
Заряженные частицы в магнитном поле образуют силу, перпендикулярную их движению – силу Лоренца – которая делает возможным их движение по круговой (циклотронной) орбите перпендикулярно магнитному полю. Достаточно сильное магнитное поле может тем самым кардинально изменить свойства материала, что может приводить к новым квантовым явлениям, таким как квантовый эффект Холла. Циклотронные орбиты сжимаются при увеличении магнитного поля. Для типичных напряженностей поля, их размер значительно больше, чем расстояние между соседними ионами в материале, и роль кристалла становится незначительной. Тем не менее, для очень больших магнитных полей две шкалы длины становятся сопоставимыми и взаимодействия между магнитным полем и кристаллическим потенциалом приводит к поразительным новым эффектам. Они проявляются, например, в фрактальной структуре энергетического спектра, который был впервые предсказан Дугласом Хофстадтером в 1976 году и известен как бабочка Хофстадтера. Многие интригующие электронные свойства материалов связаны с ним, но до сих пор эксперименты не могли исследовать всю сложность проблемы.
Для реальных материалов, входящих в режим Хофстадтера, как правило, очень сложно, потому что расстояние между соседними ионами очень мало. Поэтому должны быть применены недосягаемо большие магнитные поля. Одно из решений состоит в синтезе искусственных материалов с большим эффективным параметром решетки, например, в двух наложенных листах графена и нитрида бора.
Эксперименты, проведенные исследовательской группой в Мюнхене, используют альтернативный подход. В их опытах большие магнитные поля создаются искусственно путем воздействия на ультрахолодные атомами специально разработанными лазерными полями.
Система состоит из атомов рубидия, охлажденных до очень низких температур, которые ограничены в периодической структуре, образованной стоячими волнами лазерного света. «Атомы могут быть расположены только в области высокой лазерной интенсивности в двумерной структуре похожей на яйца в коробке для яиц» - объясняет Моника Айдельсбургер, физик из группы профессора Блоха. «Лазерный луч играет роль ионного кристалла, а атомы – роль отдельных электронов».
Так как атомы нейтральны, тем не менее, они не обнаруживают силы Лоренца в присутствии внешнего магнитного поля. Задача состоит в том, чтобы разработать методику, которая имитирует силу Лоренца для нейтральных частиц. Сочетание наклона решетки и встряхивания одновременно с дополнительной парой скрещенных лазерных лучей позволяет атомам перемещаться в решетке и перемещаться по циклотронно-подобной орбите, подобно частицам в магнитном поле. В этом случае команда преуспела в достижении сильного искусственного магнитного поля, достаточно высокого, чтобы получить доступ к режиму бабочки Хофстадтера.
Кроме того, исследователи смогли реализовать так называемый спиновый эффект Холла, т.е. две частицы с противоположными спинами в магнитном поле той же силы, но указывающими в противоположном направлении. Как следствие, направление силы Лоренца становится противоположным для двух спинов и поэтому циклотронное движение изменяется на противоположное. В опытах двух спиновых состояний были эффективно реализованы два разных состояния атомов рубидия.
В будущих экспериментах метод, используемый исследователями может быть использован для изучения физики модели Хофстадтера с помощью чистую и хорошо контролируемую среду ультрахолодных атомов в оптических решетках. Различные новые экспериментальные методы, такие как микроскопия квантового газа для регистрации единичных атомов может способствовать более глубокому пониманию свойств материалов непосредственно глядя на микроскопические движения частиц в решетке. Новый метод также может открыть двери для исследования новых фаз квантового вещества в экстремальных экспериментальных условиях.
Источник:
phys.org/news/2013-10-atoms-crystals.html
Aidelsburger, M. et al. Realization of the Hofstadter Hamiltonian with ultracold atoms in optical lattices, Phys. Rev. Lett. 111, 185301, 2013.
Автор перевода: Шамров Евгений