Холодный ансамбль из 91 иона экспресс
Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник.
Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект. В определённый момент лазер не просто тормозит дрожь, а заставляет все ионы обменяться энергией со своими внутренними «магнитиками» — спинами. Этот обмен происходит так дружно, что колебания всего кристалла затихают разом. В эксперименте с 91 ионом после одного такого импульса остаточное тепло оказалось в 8000 раз меньше, чем у одиночного иона. Чем больше ионов, тем чище результат — зависимость идёт как единица, делённая на квадрат числа частиц.
Повторяя импульсы, физики довели кристалл до состояния, где движение почти исчезло. При этом поведение большого ансамбля перестало зависеть от того, как именно ионы дрожали вначале — коллективный ритм подчиняет себе всё. Такой «танец» можно использовать как сверхчувствительный датчик: измеряя спины после импульса, учёные восстанавливают картину колебаний, не тревожа сам ионный кристалл.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2606.21374
Low-entropy motional states of ion Coulomb crystals are an essential prerequisite for a plethora of applications and are typically prepared by laser cooling. As larger crystals are operated in the quantum regime, it remains unclear, and has recently become debated, whether increasing the ion number can be beneficial for cooling. Here, we investigate theoretically and experimentally many-ion sideband cooling and the role of collective effects in different spin-motion coupling regimes. For weak coupling, the many-body effects are insignificant. In the strong-coupling regime, however, the spin and motional subsystems undergo a coherent state swap, enabling cooling by a suitably timed laser pulse. Using planar Coulomb crystals with up to 91 ions, we demonstrate that the residual mean phonon occupation after one such pulse scales as $$1/N^2$$ with the number of ions. By iterating the pulses, we measure mean phonon occupations $$<2\cdot10^{-4}$$. For large crystals in the coherent regime, we further show that the spin-motion dynamics becomes largely independent of the initial phonon statistics. Through spin measurements, the state-swap mechanism can be utilized to probe the phonon distribution in the mode.
Энергия колебаний после охлаждения была так мала, что если бы её превратили в высоту подъёма песчинки, та поднялась бы всего на несколько атомных слоёв.