Иллюстрация: Thomas Dieterle et al. / Physical Review Letters, 2021. Физикам удалось понаблюдать за контролируемым движением одиночного иона рубидия сквозь конденсат Бозе — Эйнштейна из охлажденных атомов. Особенность эксперимента заключалась в том, что ученые могли с высокой точностью отслеживать траекторию и скорость иона в процессе движения сквозь конденсат, а также влиять на то, как быстро он проходит сквозь атомы и как часто испытывает столкновения с ними. В будущем такая методика позволит наблюдать за индивидуальными столкновениями ионов с охлажденными атомами в макроскопическом квантовом состоянии и изучать связанные с этим квантовые эффекты. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Обычно к квантовой физике обращаются при попытках описать поведение микроскопических систем, будь то отдельная частица в потенциальной яме, ее рассеяние на другой частице, или же ее простейшее связанное состояние. Однако еще в первой половине 20 века физики поняли, что квантовые эффекты могут наблюдаться и в макроскопической системе, если охладить ее до определенной критической температуры.
Схема экспериментальной установки. Thomas Dieterle et al. / Physical Review Letters, 2021
Именно так были открыты явления сверхтекучести и сверхпроводимости, которые имеют квантовую природу несмотря на макроскопические масштабы наблюдаемых эффектов.
К макроскопической квантовой системе можно отнести и конденсат Бозе — Эйнштейна — равновесную систему из большого числа бозонов (частиц или квазичастиц с целым спином), находящихся в одном и том же квантовом состоянии. Такое агрегатное состояние вещества возможно благодаря тому, что бозоны не подчиняются запрету Паули, сформулированному для фермионов (частиц с полуцелым спином), а значит могут одновременно находиться в своем основном состоянии.
В таком случае вся система может быть описана одной волновой функцией, а значит квантовые эффекты могут проявляться на макроскопическом уровне. Однако получить бозе-конденсат удалось лишь в 1995 году (спустя 70 лет после теоретического предсказания его существования) из-за технической сложности процесса охлаждения большого числа атомов до чрезвычайно низких температур порядка сотен нанокельвинов.
С того момента у конденсата Бозе — Эйнштейна нашли немало интересных свойств, а с его помощью моделируют множество физических явлений: от космологической инфляции до черных дыр. Отдельный интерес для физиков представляют эффекты переноса в охлажденных до столь низких температур атомных газах, в особенности — движение в них заряженных ионов. Ранее в похожих процессах изучали экзотические свойства уже упомянутой сверхтекучести, и теперь физики надеются на результаты и для случая бозе-конденсации. Кроме того, подобные техники могут быть использованы для моделирования квантовых систем вплоть до квантовых компьютеров, и даже для исследования фундаментальных принципов, стоящих за химическими реакциями.
Теперь же Томас Дитерле (Thomas Dieterle) из Штутгартского университета вместе с коллегами провел исследование движения отдельного иона сквозь бозе-конденсат с использованием метода, который позволяет свободно варьировать скорость движения иона и тем самым контролировать режим его взаимодействия с холодными атомами. Сам одиночный ион в конденсате Бозе — Эйнштейна из около миллиона атомов рубидия физики получали в два этапа. Сначала ученые возбуждали лазером электрон одного из атомов конденсата до крайне высокого уровня, получая тем самым ридберговский атом, после чего ионизировали его двумя последовательными короткими импульсами электрического поля разной поляризации. Столь сложная процедура применялась для того, чтобы в начальном состоянии ион имел очень маленькую скорость (менее десятой метра в секунду).
Далее на ион воздействовали постоянным электрическим полем, приводя его в движении, и за счет высокой плотности бозе-конденсата он успевал многократно провзаимодействовать с атомами рубидия. С помощью еще одной пары импульсов поля ученые могли в любой момент прервать движение иона сквозь конденсат и направить его в сторону микроканальной пластинки, которая регистрировала время его прилета. По этому времени физики могли понять, из какой точки бозе-конденсата вылетел ион, а значит, варьируя момент окончания движения в пределах между 0 и 25 микросекундами, они могли полностью восстановить траекторию и скорость его движения сквозь охлажденные атомы. Каждое измерение при определенном времени движения иона сквозь бозе-конденсат проводилось 50 раз для набора статистики, а для демонстрации различных режимы движения иона ученые меняли ускоряющее напряжение.
(a) упрощенная схема движения иона сквозь бозе-конденсат, (b) результаты моделирования зависимости скорости движения иона сквозь бозе-конденсат от времени для различных значений напряженности электрического поля. Thomas Dieterle et al. / Physical Review Letters, 2021
Помимо наблюдения взаимодействия иона с бозе-конденсатом, исследователи также рассмотрели его движение сквозь более разряженный газ атомов рубидия. Измерения показали, что в этом случае, как и ожидалось, ион ускоряется быстрее, так как на одном и том же участке движения испытывает меньше столкновений с окружающими атомами. Кроме того, ученые провели моделирование эксперимента в квазиклассическом пределе, в котором движение иона может быть описано с помощью динамики Ланжевена. Оказалось, что экспериментальные данные близки к результатам моделирования, а значит квантовые эффекты слабо влияли на эксперимент.
Зависимости времени движения сквозь охлажденные атомы от времени полета к микроканальной пластинке и связанной с последним координаты вылета. Сверху – результаты эксперимента, снизу – результаты моделирования. Черные точки – результаты для бозе-конденсата, красные точки – результаты для более разряженного состояния. Слева – меньшие значения напряженности поля, справа – большие. Thomas Dieterle et al. / Physical Review Letters, 2021
Однако главным результатом своей работы Дитерле и коллеги называют разработанную ими методику эксперимента, которая позволяет с высокой точностью следить за движением иона сквозь бозе-конденсат и свободно варьировать параметры этого движения. Ученые утверждают, что улучшенный контроль над электрическими полями в системе в комбинации с увеличенным пространственным разрешением позволит точнее контролировать движение иона. Это позволит перейти в режим, когда при меньших полях ион в процессе движения испытывает лишь несколько столкновений с окружающими атомами, и изучить влияние квантовых эффектов на данный процесс.
Конденсат Бозе — Эйнштейна, как упоминалось выше, может быть получен не только из атомов: ранее мы рассказывали о том, как физикам удалось получить бозе-конденсат взаимодействующих фотонов. А в прошлом году ученые получили бозе-конденсат за рекордное время в 100 фемтосекунд.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
