在量子模拟中加入声音：科学家创造一个可以振动的原子光学晶格
日期：
2021-11-19
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为了更真实地模拟材料的量子特性，研究人员已经想出了一种方法来创造一个可以振动的原子光学晶格--为一个原本无声的实验带来声音。当声音在20世纪20年代首次被纳入电影时，它为电影制作者带来了新的可能性，如音乐和口语对话。物理学家们可能即将迎来一场类似的革命，这要归功于斯坦福大学开发的一个新设备，它有望为以前无声的量子科学实验带来声音。特别是，它可以为一种常见的量子科学装置带来声音，这种装置被称为光学晶格，它使用纵横交错的激光束网，以一种类似于晶体的方式有序地排列原子。这种工具通常被用来研究固体和其他具有重复几何形状的物质阶段的基本特征。然而，这些晶格的一个缺点是它们是无声的。应用物理学和物理学副教授Benjamin Lev说：“如果没有声音或振动，我们就会错过存在于真实材料中的一个关键自由度，”他在2011年第一次来到斯坦福大学时就把目光投向了这个问题。“这就像做汤时忘了放盐，它真的会让量子‘汤’的味道消失。”经过十年的工程和基准测试，Lev和来自宾夕法尼亚州立大学和圣安德鲁斯大学的合作者已经制造出第一个包含声音的原子光学晶格。这项研究于11月10日发表在《自然》杂志上。通过设计一个非常精确的腔体，将晶格置于两面高度反射的镜子之间，研究人员使原子能够通过在镜子之间来回反弹的光子，“看到”自己重复成千上万次。这种反馈使光子的行为类似于声子--声音的构建块。Lev说：'如果有可能把你的耳朵放在原子光学晶格上，你会听到它们在1千赫兹左右的振动。以前的光学晶格实验是无声的，因为它们缺乏这个新系统的特殊弹性。Lev、年轻的研究生Sarang Gopalakrishnan（现在是宾夕法尼亚州立大学的物理学助理教授和论文的共同作者）和Paul Goldbart（现在是石溪大学的教务长）提出了这个系统的基础理论。但在与圣安德鲁斯大学的读者、论文的共同作者Jonathan Keelin的合作下，经过多年的努力才建立了相应的装置。为了创建这个装置，研究人员在一个空的镜面腔内填充了超冷的铷原子量子气体。就其本身而言，这是一种超流体，是物质的一个阶段，其中原子可以无阻力地旋转流动。当暴露在光线下时，铷的超流体会自发地重新排列成超固体--这是一种罕见的物质相，同时显示出晶体中的秩序和超流体的非凡流动性。为空腔带来声音的是两面精心间隔的凹面镜，它们的反射率非常高，以至于有百分之一的机会让一个光子通过它们。这种反射率和设置的特定几何形状--弯曲的镜子的半径等于它们之间的距离--导致泵入空腔的光子经过原子1万次以上。在这样做的过程中，光子与原子形成一种特殊的紧密结合，迫使它们排列成一个晶格。'我们使用的腔体在镜子之间来回反弹的光的形状方面提供了更大的灵活性，'Lev说。'这就好像，不是只允许在水槽中制造一个单一的波浪，而是现在你可以随意泼洒，制造任何种类的波纹。'这种特殊的腔体允许超流体原子晶格（超固体）移动，因此，与其他光学晶格不同，当被戳中时，它可以自由变形--这就产生了声波。为了启动这种通过柔性晶格的声子发射，研究人员使用一种被称为空间光调制器的仪器来戳它，这使他们能够在注入空腔的光线中编制不同的模式。研究人员通过捕捉射出的光的全息图来评估这对空腔内容的影响。全息图同时记录了光波的振幅和相位，允许对声子进行成像。除了调解有趣的物理学，该设备内的镜子的高曲率产生了一个高分辨率的图像，就像一个显微镜，这使得研究人员将他们的创造命名为 “主动量子气体显微镜”。获得Q-FARM奖学金以支持这项工作的研究生和主要作者Yudan Guo领导了确认该设备中声子存在的努力，这是通过发送不同模式的光，测量出来的东西并将其与戈德斯通色散曲线进行比较来完成的。该曲线显示了包括声音在内的能量如何在晶体中移动；他们的发现与该曲线相匹配，这证实了声子和振动超固态的存在。Lev希望他的实验室--或许还有其他人--能将这一发明推向许多方向，包括研究奇异超导体的物理学和创建量子神经网络--这就是为什么该团队已经在努力创建他们设备的第二个版本。Lev说：“打开一本典型的固态物理学教科书，你会看到很大一部分与声子有关。而且，直到现在，我们还不能用采用原子和光子的量子模拟器研究任何建立在此基础上的东西，因为我们不能模拟这种基本的声音形式。”
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