Физики впервые наблюдали оптический эффект Магнуса на атомах

Учёные давно знают об эффекте Магнуса в макроскопическом мире: закрученный мяч для настольного тенниса летит по кривой траектории благодаря взаимодействию вращения с воздухом. Этот же физический принцип влияет на полёт мячей в футболе и других видах спорта. Теперь международная команда исследователей обнаружила аналогичный эффект на атомном уровне.

Как работает оптический эффект Магнуса

Казалось бы, логично ожидать, что ион взаимодействует наиболее сильно с лазером именно в самой яркой точке луча. Однако когда лазерный свет фокусируется очень плотно, структура его электромагнитного поля становится более сложной. Из-за этого изменённой структуры поля самое сильное взаимодействие происходит не в центре луча, а немного в стороне. Это небольшое боковое смещение и является оптическим эквивалентом эффекта Магнуса.

Экспериментальное подтверждение

Для обнаружения эффекта исследователи использовали один ион кальция как чрезвычайно чувствительный датчик. Заряженный атом удерживался почти неподвижно в ионной ловушке, которая использует электромагнитные поля для фиксации иона на месте. Команда перемещала ион кальция через разные части плотно сфокусированного лазерного луча и измеряла, насколько сильно он взаимодействовал со светом в каждой позиции. По словам первого автора исследования Филипа Лейндекера из PSI Center for Photon Science и Department of Physics в ETH Zurich, «ион действует как крошечный датчик, который мы можем использовать, чтобы почувствовать структуру лазерного света». Это позволило измерить смещение всего в несколько сотен нанометров.

Неожиданное открытие о размере смещения

Измерения выявили ещё одну неожиданную особенность: размер бокового смещения зависит только от длины волны света и не зависит от того, насколько плотно сфокусирован лазерный луч. Это свойство может быть важно для понимания и предсказания эффекта в различных условиях.

Значение для квантовых компьютеров

Открытие имеет практическое значение для квантовых вычислений. Лазеры часто используются для изменения состояний кубитов с экстремальной точностью. Если оптический эффект Магнуса не учитывать, он может помешать этому управлению и способствовать возникновению ошибок. Однако эффект может быть полезен и другим способом: силы, которые он генерирует, могут быть использованы для связывания кубитов друг с другом, что позволит проводить более сложные вычисления.

Предыстория исследования

Теоретическое предсказание оптического эффекта Магнуса было сделано исследователями из University of Amsterdam несколько лет назад. Используя захваченный ион кальция как микроскопический датчик, команда впервые наблюдала эффект экспериментально и измерила его поведение с большей детальностью. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Это данные исследования, а не медицинский совет.