Физики обнаружили скрытый «кручёный мяч» в квантовом свете

Игроки в настольный теннис могут заставить мяч резко изменить траекторию, придав ему нужное вращение. Это движение обусловлено эффектом Магнуса — известным физическим явлением, которое влияет и на полёт более крупных мячей, например в футболе.

Теперь международная группа, работающая в Институте Пауля Шеррера (PSI), наблюдала родственный эффект на атомном масштабе. Исследователи впервые экспериментально продемонстрировали оптический эффект Магнуса, сфокусировав лазерный свет на одиночном ионе и измерив его взаимодействие со светом.

Эффект не заставляет атом двигаться по кривой траектории — вместо этого он смещает точку, в которой лазер взаимодействует с ионом сильнее всего. Эта точка взаимодействия сдвигается немного вбок, что может иметь значение для квантовых компьютеров, использующих лазерный свет для сверхточного управления кубитами. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

На первый взгляд кажется логичным ожидать, что ион будет сильнее всего взаимодействовать с лазером точно в самой яркой точке пучка. Однако при очень сильной фокусировке лазерного света структура его электромагнитного поля усложняется.

Из-за этой изменённой структуры поля максимальное взаимодействие происходит не точно в центре пучка, а немного в стороне от него. Это небольшое боковое смещение и есть оптический аналог эффекта Магнуса, искривляющего полёт закрученного мяча для настольного тенниса.

Такой крошечный сдвиг может оказаться важным для квантовых вычислений. Лазеры часто используются для изменения состояний кубитов с очень высокой точностью. Если оптический эффект Магнуса не учитывать, он может мешать этому управлению и вносить ошибки.

В то же время эффект может оказаться и полезным. «Силы, которые он создаёт, можно использовать для связи кубитов между собой, что позволит выполнять более сложные вычисления», — объясняет первый автор работы Филип Ляйндекер из Центра фотоники PSI и физического факультета ETH Zurich.

Чтобы обнаружить эффект, исследователи использовали одиночный ион кальция в качестве чрезвычайно чувствительного зонда. Электрически заряженный атом удерживался почти неподвижно в ионной ловушке, которая фиксирует ион на месте с помощью электромагнитных полей.

Удерживаемые в ловушках ионы широко применяются и в квантовых вычислениях. Они могут работать как кубиты, квантовыми состояниями которых управляют тщательно настроенными лазерными импульсами.

В эксперименте группа перемещала ион кальция через разные области сильно сфокусированного лазерного пучка и измеряла, насколько сильно он взаимодействует со светом в каждой позиции.

«Наш ион работает как крошечный сенсор, с помощью которого мы можем прощупать структуру лазерного света, — поясняет Ляйндекер. — Это позволяет измерить смещение всего в несколько сотен нанометров».

Измерения выявили ещё одну неожиданную особенность. Величина бокового смещения зависит только от длины волны света и не зависит от того, насколько сильно сфокусирован лазерный пучок.

Оптический эффект Магнуса был теоретически предсказан исследователями Университета Амстердама несколько лет назад. Используя ион кальция в ловушке как микроскопический зонд, группа теперь впервые наблюдала эффект экспериментально и измерила его поведение более детально.

Работа: Philip Leindecker, Louis P. H. Gallagher, Edgar Brucke, Dominique Zehnder, Luka Milanovic, Matteo Marinelli, Rene Gerritsma, Robert J. C. Spreeuw, Jonathan Home, Cornelius Hempel. Direct Observation of the Optical Magnus Effect with a Trapped Ion. Physical Review Letters, 2026; 137 (6). DOI: 10.1103/kj5p-qqs5.