Как приручить вращающийся кристалл экспресс
Сотни волчков сидят на карусели. Каждый крутится сам по себе, но вся карусель ещё и вращается. Задача — дотронуться до любого волчка и повернуть его ось, пока он проносится мимо. В квантовом мире роль такой карусели играет кристалл из заряженных атомов (ионов) в ловушке Пеннинга — устройстве, где электрические и магнитные поля удерживают ионы и заставляют их вращаться.
Раньше это общее вращение было помехой: лазерный луч, пытающийся управлять отдельным ионом, просто не мог за ним угнаться. Теперь команда из Национального института стандартов и технологий (NIST) решила проблему, заставив луч двигаться синхронно с кристаллом — как рука, которая точно попадает по нужному сиденью на карусели. Луч не просто светит, а смещает энергетические уровни иона (это называется сдвигом Штарка), поворачивая его квантовый спин — аналог оси волчка — на заданный угол.
Испытания показали: точность поворота спина на 180 градусов достигает 95%, а влияние на соседние ионы — всего 2%. Этого достаточно, чтобы «рисовать» на кристалле узоры из спинов. Например, физики создали текстуру под названием «бискирмион» — два вихря спинов, закрученных в противоположные стороны, как двойной водоворот в плоском озере. А в двухслойных кристаллах удалось обрабатывать каждый слой отдельно, не задевая другой.
Теперь карусель с волчками стала управляемой. Можно не только задавать сложные начальные состояния, но и измерять спин сразу в двух направлениях за один эксперимент — благодаря методу Рамзея с двойной квадратурой. Один взгляд на карусель позволяет узнать и угол наклона каждого волчка, и скорость его вращения.
Ионы бериллия-9 в эксперименте охлаждены почти до абсолютного нуля, но при этом весь кристалл вращается со скоростью около 180 тысяч оборотов в секунду — быстрее, чем двигатель гоночного болида.
В романе Грега Игана «Город перестановок» квантовые состояния частиц используются для моделирования сознания — подобные технологии управления спинами приближают создание программируемой квантовой материи.