Floquet-Technik optimiert Wechselwirkungen ultrakalter Moleküle und erzeugt zweiachsige Verdrehungsdynamik

Die Wechselwirkungen zwischen Quantenspins liegen einigen der interessantesten Phänomene des Universums zugrunde, wie etwa Supraleitern und Magneten. Physiker haben jedoch Schwierigkeiten, im Labor kontrollierbare Systeme zu konstruieren, die diese Wechselwirkungen nachbilden.

In einer kürzlich veröffentlichten Natur In ihrem Artikel verwendeten Jun Ye, JILA- und NIST-Fellow und Physikprofessor an der University of Colorado Boulder, und sein Team zusammen mit Mitarbeitern der Gruppe von Mikhail Lukin an der Harvard University periodische Mikrowellenimpulse in einem als Floquet-Engineering bekannten Verfahren, um Wechselwirkungen zwischen ultrakalten Kalium-Rubidium-Molekülen in einem System abzustimmen, das sich für die Untersuchung grundlegender magnetischer Systeme eignet. Darüber hinaus beobachteten die Forscher in ihrem System eine zweiachsige Verdrehungsdynamik, die in Zukunft verschränkte Zustände für eine verbesserte Quantensensorik erzeugen kann.

In diesem Experiment manipulierten die Forscher ultrakalte Kalium-Rubidium-Moleküle, die polar sind. Da polare Moleküle eine vielversprechende Plattform für Quantensimulationen sind, könnten die steuerbaren molekularen Wechselwirkungen mithilfe der Floquet-Technik neue Türen zum Verständnis anderer Quanten-Vielteilchensysteme öffnen.

„Es besteht großes Interesse an der Nutzung dieser Quantensysteme, insbesondere [with] polare Moleküle – können empfindlich auf viele neue physikalische Effekte reagieren, da die Moleküle eine reiche Energiestruktur haben, die von vielen verschiedenen physikalischen Konstanten abhängt“, erklärt Calder Miller, JILA-Student und Erstautor der Studie. „Wenn wir also ihre Wechselwirkungen manipulieren können, können wir im Prinzip verschränkte Zustände erzeugen, die eine höhere Empfindlichkeit gegenüber neuer Physik bieten.“

Implementierung der Floquet-Technik

Die Floquet-Technik hat sich als nützliche Technik zur Steuerung von Interaktionen innerhalb physikalischer Systeme erwiesen. Diese Methode wirkt wie ein „Quanten-Blitzlicht“, das durch Anpassen der Geschwindigkeit und Intensität der Blitze verschiedene visuelle Effekte erzeugen kann, beispielsweise Objekte in Zeitlupe oder sogar stillstehend erscheinen lässt.

In ähnlicher Weise können Wissenschaftler durch die Nutzung periodischer Mikrowellenimpulse zum Antrieb des Systems unterschiedliche Quanteneffekte erzeugen, indem sie die Wechselwirkung der Teilchen steuern.

„In unserem alten Aufbau waren wir in der Anzahl der Impulse, die wir erzeugen konnten, beschränkt“, sagt Annette Carroll, eine JILA-Studentin in Yes Forschungsteam und Mitautorin dieser Studie. „Deshalb haben wir gemeinsam mit dem Elektronikgeschäft einen FPGA-basierten Arbiträrwellengenerator entwickelt, mit dem wir jetzt Tausende von Impulsen erzeugen können. Das bedeutet, dass wir nicht nur eine Impulsfolge konstruieren können, die Einzelpartikelrauschen entfernt, sondern auch die Wechselwirkungen im System verändern können.“

Bevor die Forscher die Floquet-Technik umsetzten, kodierten sie zunächst Quanteninformationen in den beiden niedrigsten Rotationszuständen der Moleküle (Moleküle haben allerdings noch viel mehr Zustände). Mithilfe eines anfänglichen Mikrowellenimpulses wurden die Moleküle in eine Quantenüberlagerung dieser beiden „Spin“-Zustände versetzt.

Nachdem die Informationen kodiert waren, nutzten die Forscher die Floquet-Technik, um zu prüfen, ob sie bestimmte Arten von Quanteninteraktionen, sogenannte XXZ- und XYZ-Spinmodelle, anpassen konnten. Diese Modelle beschreiben, wie die inhärenten Quantenspins der Teilchen miteinander interagieren, was für das Verständnis magnetischer Materialien und anderer Vielteilchenphänomene von grundlegender Bedeutung ist.

Während Physiker eine mathematisch konstruierte Bloch-Kugel verwenden, um zu zeigen, wie sich die Spins in diesen Modellen entwickeln, ist es einfacher, sich vorzustellen, dass die Moleküle ihr Tanzmuster ändern, je nachdem, wie sie mit ihren Nachbarn oder Tanzpartnern interagieren. Diese molekularen Tänzer können zwischen Ziehen und Stoßen ihrer Partner wechseln, was auf Quantenebene mit Änderungen der Spinausrichtung gleichgesetzt werden kann.

In der Studie wurden diese Veränderungen in den Wechselwirkungen zwischen Molekülen durch das „Quanten-Blitzlicht“ oder die Floquet-Technik hervorgerufen. Die Forscher überprüften, ob dies zu ähnlichen Spindynamiken führte wie die Feinabstimmung der Wechselwirkungen mithilfe eines angelegten elektrischen Felds. Darüber hinaus kontrollierten die Forscher die Pulssequenz präzise, ​​um weniger symmetrische Wechselwirkungen zu erzielen, die mithilfe elektrischer Felder nicht erzeugt werden können.

Die (zweiachsige) Drehung durchführen

Die Forscher beobachteten außerdem, dass ihre Technik eine zweiachsige Drehdynamik erzeugte.

Bei der zweiachsigen Verdrehung werden die Quantenspins entlang zweier verschiedener Achsen geschoben und gezogen, was zu stark verschränkten Zuständen führen kann. Dieser Prozess ist für die Weiterentwicklung von Sensorik und Präzisionsmessungen von großem Nutzen, da er die effiziente Erzeugung von Spin-Quetsch-Zuständen ermöglicht. Diese Zustände verringern die Quantenunsicherheit in einer Komponente eines Spinsystems und erhöhen sie in einer anderen orthogonalen Komponente, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit bei Spektroskopieexperimenten führt.

„Es war ziemlich aufregend, als wir die ersten Anzeichen einer zweiachsigen Verdrehung sahen“, sagt Miller. Wir waren nicht sicher, ob es funktionieren würde, aber wir probierten es und anderthalb Tage später war ziemlich klar, dass wir ein Signal hatten.“

Das Konzept der zweiachsigen Verdrehung wurde in den frühen 1990er Jahren vorgeschlagen, aber seine Realisierung in zwei JILA-Laboren musste bis 2024 warten. Zusätzlich zu dieser Arbeit von Ye und seinem Team verwendeten JILA- und NIST-Fellow und Physikprofessor der University of Colorado Boulder, James Thompson, und sein Team einen völlig anderen Ansatz zur Arbeit an Atomen – die Hohlraum-Quantenelektrodynamik oder Hohlraum-QED – und demonstrierten ebenfalls Zweiachsiges Verdrehen dieses Jahr.

Die Forscher haben zwar nicht versucht, eine Verschränkung in ihrem System festzustellen, planen dies jedoch in Zukunft.

„Der logischste nächste Schritt besteht darin, unsere Erkennung zu verbessern, damit wir die Erzeugung verschränkter Zustände tatsächlich überprüfen können“, fügt Miller hinzu.