Израильские физики продемонстрировали сильную спин-обменную связь между ядрами калия и гелия-3, находящимися в атомной газовой смеси. Создав нужные условия с помощью магнитного поля, они увидели гибридизацию спиновых состояний, выраженную через осцилляцию спиновой поляризации со временем в обоих газах. Исследование опубликовано в Nature Physics.
Среди множества физических реализаций кубитов ядерные спины благородных газов выделяются благодаря большому времени жизни состояний и когерентности их суперпозиции: дни и часы соответственно. Причиной такой стабильности следует искать в эффективном экранировании ядер инертными электронными оболочками, а также устойчивости самого ядра. Это делает ядра отдельных изотопов, например, гелия-3, очень хорошими детекторами магнитного поля, но физики также пророчат им роль эффективных переносчиков квантовой информации и даже квантовой запутанности.
Платой за такую изоляцию, однако, стала невозможность манипуляции и контроля спиновыми состояниями с помощью оптических методов, что усложняет адресное воздействие на атомы. Но таких проблем лишены ядерные спины щелочных атомов. Это натолкнуло физиков на идею использовать щелочные атомы в качестве промежуточного агента благодаря их спин-обменному взаимодействию с атомами инертных газов. Разные группы ученых уже смогли убедиться, что такое смешение действительно может повлиять на времена когерентности и ЯМР-сигнал благородных газов, и даже двунаправленно связать их спины со светом. Однако для практических приложений важно вывести эту связь в сильный режим, чего ранее никому не удавалось сделать.
Рой Шахам (Roy Shaham) с коллегами из Института Вейцмана сообщили о том, что им удалось достичь режима сильной связи между ядерными спинами щелочных атомов и атомов инертных газов. Такая связь возникает благодаря множественным случайным спин-обменным столкновениям между атомами разных типов. Добившись десятикратного превышения константы связи над скоростью распада ядерного спинового состояния щелочных атомов, авторы увидели периодическую миграцию коллективной спиновой когерентности между различными газами, которая поддается управлению с помощью магнитного поля.
Шансы передать спиновое возбуждение от одного атома к другому зависят от множества параметров, включающих в себя концентрацию газов каждого типа, степень их коллективной поляризации, а также частоты между сверхтонкими энергетическими подуровнями (ларморовские частоты). Разницу между этими частотами у атомов разного типа можно регулировать, меняя магнитное поле. При достаточно сильной связи спин-обменные процессы становятся настолько частыми, что их воздействие может привести к гибридизации ядерных спиновых состояний.
Чтобы увидеть этот эффект, физики создавали газовую смесь из атомов калия и гелия-3, заключенных в сферическую стеклянную камеру. Опытным путем они выяснили, что наибольшая связь с константой 78±8 герц достигается при концентрации калия равной 4,9 × 1014 и гелия равной 6,45 × 1019 атомов на кубический сантиметр, нагретых до 230 градусов по шкале Цельсия. Учитывая, что декогеренция спиновых состояний в такой системе происходит в основном в атомах калия со скоростью равной 7,3±1,5 герц, эти условия должны соответствовать сильной связи между атомами.
Авторы с помощью оптической накачки в присутствии магнитного поля готовили атомы калия в гиперполяризованном состоянии (более 95 процентов). Спустя некоторое время они измеряли компоненты их коллективного спина с помощью небольшого поперечного магнитного поля, включаемого на пять микросекунд, облучая смесь зондирующим лучом, чья линейная поляризация поворачивается за счет эффекта Фарадея. Когда величина поля была настроена на резонанс, связь между атомами разного типа приводила к гибридизации состояний, из-за чего степень поляризации начала осциллировать от калия к гелию и обратно с периодом равным 6,5 миллисекунды.
Физики также нашли способ следить и за степенью поляризации атомов гелия-3. Для этого через некоторое время они отстраивали магнитное поле от резонанса и использовали спины щелочных атомов уже в качестве магнитометров, чувствительных к прецессии спинов гелиевых ядер. Осцилляции спиновых возбуждений обоих типов атомов происходили в противофазе, а их зависимость их суммы от времени не обладала колебаниями, что подтверждает изначальные предположения ученых.
Степень поляризации коллективных ядерных спинов атомов калия и гелия-3, выраженная через квадрат средней комплексной амплитуды соответствующего спинового оператора, в зависимости от времени взаимодействия. В нижней части построена зависимость суммы обеих величин от времени.
Физики также убедились, что отстройка поля от резонанса, а также увеличение скорости релаксации за счет взаимодействия с накачкой приводит к подавлению увиденных осцилляций. Зависимость частоты от отстройки демонстрирует характерное для резонанса избегание пересечения и подтверждает когерентную связь между атомами. Построенные экспериментальные графики оказались в хорошем согласии с моделированием.
Использование промежуточного агента для управления когерентными свойствами труднодоступных квантовых систем — это популярный метод в физике. Недавно мы рассказывали, как с его помощью получили оптический доступ к циркулярным ридберговским состояниям, а также изучили неупругие соударения холодных атомов и ионов.
Обсуждение