NIST物理学家“闪速冻结”150个离子晶体

国家标准与技术研究所（NIST）的物理学家们已经“闪现冻结”了一个由150个铍离子（带电原子）组成的平面晶体，为量子尺度上模拟磁性和感知神秘暗物质信号开辟了新的可能性。

几十年来，许多研究人员一直试图将大到肉眼可见的振动物体冷却到量子力学所允许的最小运动点，量子力学是控制原子尺度上物质行为的理论。越冷越好，因为它使设备更灵敏、更稳定、变形更小，因此对实际应用更有用。然而，直到现在，研究人员才能够减少一些类型的振动。

在NIST的实验中，磁场和电场冷却并捕获离子，使它们形成直径小于250微米（百万分之一米）的圆盘。圆盘被认为是晶体，因为离子以规则的重复排列。

正如《物理评论快报》所描述的那样，NIST的研究人员在200微秒（百万分之一秒）内冷却了晶体，使每个离子都拥有一个声子所携带能量的三分之一，即晶体中的一包运动能。对于晶体所谓的“鼓头”振动来说，这非常接近于处于最低可能量子“基态”的能量，这种振动类似于击鼓的上下运动。

研究人员冷却并减缓了所有150个鼓头振动，每个离子一个。（下面的模拟视频显示了八种鼓头振动的示例类型。）研究表明，使用这种技术可以使数百个离子集体平静下来，这比另一个冷却18个离子的小组之前的演示有了显著的进步。

NIST的研究人员冷却并减缓了晶体中150个铍离子（带电原子）的“鼓头”振动，使该设备在传感和其他实际应用中更加有用。这个模拟显示了鼓头振动的例子类型。

小组组长约翰·博林格说，对于在本次演示中冷却的频率下的振动，声子携带的能量的三分之一相当于50微开尔文，或高于绝对零度（零下459.67华氏度或零下273.15摄氏度）的5000万分之一。布林格指出，虽然不是破纪录的温度，但对于所有的鼓头模式来说，这个水平接近量子力学基态，这意味着热运动对于这样一个高度受限的系统来说是很小的。

为了达到如此大的冷却效果，研究人员将两个具有特定频率和功率水平的激光器对准晶体。激光将离子的能级耦合在一起，使离子晶体在不增加其运动的情况下失去能量。对于大多数被晶体散射的激光粒子，离子失去了运动，冷却了晶体。

该方法并没有冷却其他类型的振动，如盘状晶体的侧向运动。但鼓膜运动有最实际的用途。量子模拟和量子传感器中只使用了鼓头振动。

较冷的鼓头振动将使离子晶体成为更真实的量子磁学模拟器，这在传统计算机上很难计算。基态冷却还应使纠缠量子系统更加复杂，从而为量子传感应用提供更好的测量。

博林格说：“我们对研究感到兴奋的一个量子传感应用是对非常弱的电场的传感。”“通过基态冷却，我们提高了感知电场的能力，使我们能够搜索某些类型的暗物质轴子（假设的亚原子粒子）和隐藏的光子（尚未发现的力载体）。”

未来的研究将尝试用更多的离子冷却三维晶体。

这项工作得到了国家科学基金会、国防高级研究计划局、空军科研办公室和陆军研究办公室的支持。