Атомы Ридберга загнали в ловушку из света — и они неожиданно выстроились в идеальный порядок и засветились в унисон

Атомы Ридберга ценят в квантовой физике за необычное поведение. У такого атома один внешний электрон получает очень высокую энергию и начинает намного сильнее взаимодействовать с соседями, чем в обычных состояниях. Благодаря этому ридберговские массивы подходят для квантового моделирования: с их помощью физики проверяют, какие коллективные режимы могут возникать в сложных системах из многих частиц.

Исследователи из Чунцинского университета и Чунцинского педагогического университета описали ещё один такой режим. В статье для Physical Review Letters группа показала, что ридберговские атомы в треугольной решётке внутри оптического резонатора могут переходить в новую фазу, которую назвали сверхизлучающей часовой фазой. Работа пока остаётся теоретической, но расчёты указывают на новый способ управлять квантовыми состояниями вещества с помощью света.

Ключевая роль в модели принадлежит геометрической фрустрации. Термин обозначает ситуацию, когда сама форма решётки мешает частицам одновременно занять наиболее выгодные состояния. В треугольной структуре такой конфликт возникает естественно: связи между соседями накладывают несовместимые требования, поэтому система получает множество равноправных конфигураций и долго остаётся без устойчивого порядка.

Раньше похожие массивы чаще изучали под действием классического светового поля. В новой работе авторы рассмотрели другую схему: атомы поместили в оптический резонатор, где свет многократно отражается между зеркалами и становится частью общей квантовой динамики. В таком режиме фотонная мода связывает между собой сразу все атомы, а не только ближайших соседей. Именно такая коллективная связь и меняет поведение всей решётки.

Для расчётов исследователи использовали метод квантового Монте-Карло. В модели каждый атом мог находиться либо в основном состоянии, либо в возбуждённом ридберговском. Когда возбуждённые атомы занимали примерно половину узлов треугольной решётки, система переставала быть беспорядочной и самопроизвольно переходила в новый упорядоченный режим.

Авторы обнаружили, что в таком состоянии атомы формируют структуру с часовой симметрией, а внутри резонатора одновременно возникает согласованное коллективное излучение. Сочетание пространственного порядка и сверхизлучения и дало название новой фазе. По словам исследователей, квантованное световое поле не просто слегка меняет картину, а радикально перестраивает низкоэнергетические свойства системы и вызывает новые фазовые переходы.

Работа также показывает, что механизм упорядочения здесь отличается от сценариев с классическим светом. Квантовые флуктуации в новой модели возникают за счёт взаимодействия всех атомов через резонатор. Такая схема снимает вырожденность, которую создаёт геометрическая фрустрация, и заставляет систему выбрать устойчивый порядок.

Следующий шаг связан уже с экспериментами. Авторы планируют проверить, как на новую фазу влияют более дальние взаимодействия между ридберговскими атомами, а также реальные ограничения установки, включая утечку света из резонатора и неоднородности системы. Отдельно группа хочет изучить другие фрустрированные геометрии, например решётку кагоме и структуры типа спинового льда, где сочетание квантового света и сложной геометрии может дать ещё более необычные режимы.