Российские и немецкие физики создали математическую модель плененных в «ловушке» атомов и ионов

Изучать процессы на уровне единичных атомов и ионов при комнатной температуре сложно из-за их теплового движения: возникают помехи, которые дают значимую погрешность при измерениях. Основную погрешность вносит эффект Доплера, однако, если атомы охладить, то есть снизить скорость их теплового движения, этот эффект можно подавить.  

Охлаждать атомы можно с помощью лазера, главное — подобрать правильные частоту и направление. Тот же лазер может создавать и так называемую ловушку для охлажденных атомов, когда стоячая световая волна (волна, которая не движется, а как бы колеблется «на месте») «удерживает» атомы в фиксированном положении. Эту ловушку можно сравнить с упаковкой для яиц, в которой выступы и впадины картонной конструкции не позволяют яйцам перекатываться. Ловушку можно использовать как модельную систему для изучения различных квантовых процессов от физики твердого тела до физики высоких энергий. При этом дать точное математическое описание систем, состоящих из квантовых частиц, плененных в ловушке, достаточно сложно.

«Классическая задача, лежащая в основе квантовой механики, — это задача двух тел (например, атом водорода или два сталкивающихся атома). У каждого из них по три координаты, как в школьном курсе математики: X, Y и Z. В свободном же пространстве эту задачу можно свести к относительному движению двух тел, отделив движение их центра масс. При этом в задаче остается три переменных вместо шести. Отсутствие выделенного направления позволяет свести эту задачу к еще более простому, одномерному, радиальному уравнению (уравнение с одной переменной) путем отделения угловых переменных. Если же две квантовые частицы находятся в ловушке, то появляется дополнительное условие — выделенное направление. В таком случае уже нет возможности свести задачу к одномерному уравнению. Нужно решать двумерное уравнение, если атомы одинаковые, и шестимерное, если атомы разные или рассматривается атомно-ионная система. Двумерное уравнение решать умеют многие, а решение трехмерных уравнений с неразделяющимися переменными – уже достаточно сложная задача современной вычислительной математики, поэтому здесь нужно развивать новые методы», — рассказал Владимир Мележик, автор исследования, доктор физико-математических наук из РУДН.

Владимир Мележик совместно с физиками из Гамбургского университета (Германия) разработал математический метод, который позволяет сводить многомерные вычисления к системе одномерных уравнений, что облегчает и ускоряет расчеты. Авторы применили его для описания атомных систем с разными параметрами (интенсивность эффективного междучастичного взаимодействия, заселенность начального состояния и энергия взаимодействия). Метод оказался применим и для гибридных, атомно-ионных, систем. Если «поймать» в ловушку не только атомы, но и ионы, то можно исследовать новые сложные квантовые эффекты. Разработанный алгоритм позволяет рассчитывать взаимодействия атомов и ионов друг с другом и с лазерной ловушкой. В перспективе такие гибридные, атомно-ионные, структуры позволят моделировать элементы квантового компьютера.

Результаты исследования были представлены на XX Международной конференции по физике малочастичных систем, которая прошла с 9 по 13 июля в Кане (Франция).