Иллюстрация: B. Evrard et al / Science. Группа Французских физиков смогла осуществиить экспериментальную реализацию перехода конденсата Бозе-Эйнштейна, образованного атомами натрия, в абсолютно уникальное для фрагментированное состояние. Финальную проверку исследователи провели с помощью метода адресной манипуляции и измерения состояния отдельных атомов с последующим быстрым восстановлением одно-, двух- и многочастичных матриц плотности. Результаты работы опубликованы в журнале Science. Отличительной чертой бозонов от фермионов является возможность занимать одно и то же квантовое состояние согласно законам квантовой механики. При понижении температуры бозоны стремятся занять наинизшее энергетическое состояние, образуя конденсат Бозе-Эйнштейна. Такой конденсат может быть рассмотрен как единый квантовый объект, описываемый общей волновой функцией, что делает его объектом пристального изучения. В последнее время физиков заинтересовал более сложный вариант бозе-конденсата – фрагментированный, в котором квантовое состояние описывается посредством запутанности двух или более одночастичных состояний.
Данное исследование представляет собой значительный шаг вперед в изучении фундаментальных свойств вещества и квантовой механики. При этом результаты измерений свойств отдельных частиц такого конденсата описываются смешанными состояниями, в то время как измерение его коллективных свойств демонстрирует практически чистые состояния. Такое состояние недоступно с помощью прямого охлаждения и потому крайне слабо экспериментально изучено.
Несмотря на эти трудности Фабрис Жербье (Fabrice Gerbier) из университета Сорбонны с коллегами нашли способ, как перевести в состояние фрагментированного бозе-конденсата систему из атомов со спином, равным единице, в оптической ловушке. Для этого они реализовали экспериментальный протокол, который включал в себя манипуляции с конденсатом, приготовленным в одночастичном состоянии.
Все атомы в нем обладают нулевой проекцией своего спина на ось z, ms=0 (полярное состояние). Оно на самом деле находится немного выше по энергии, чем состояние, при котором спины атомов попарно выстроены в противоположных направлениях (ms=+1) + (ms= —1) (антиферромагнитное состояние), однако сильная конденсация объединяет спины атомов в суммарный спиновый момент S, чье нулевое значение соответствует наименьшему состоянию энергии конденсата.
Чтобы получить доступ к антиферромагнитному состоянию, физики предложили наложить на систему достаточно сильное магнитное поле. В этом случае из-за квадратичного эффекта Зеемана полярное состояние становится истинно наинизшим, однако индивидуальные межатомные взаимодействия становятся доминирующими. В таком режиме начинают происходить квантовые флуктуации с сохранением намагниченности (то есть, суммы ms всех атомов). При постепенном ослаблении магнитного поля флуктуации перераспределяют проекции спинов по всем атомам в примерно равных пропорциях, в то время как суммарный спиновый момент сохраняется нулевым (или единичным в случае нечетного числа атомов).
Схема получения фрагментированного БЭК. Поле выключается со временем, что приводит к образованию пар атомов с противоположно направленными проекциями спинов. B. Evrard et al / Science
Для реализации этого протокола физики приготовили конденсат из ста атомов натрия, запертых в оптических ловушках с высокой жесткостью, чтобы степени свободы, связанные с движением атомов, не влияли на эксперимент. На этапе постепенного выключения поля они контролировали населенности на каждом спиновом подуровне с разрешением в 1,2 атома с помощью комбинации разделения Штерна — Герлаха с флуоресцентной визуализацией. Результаты такого контроля совпали с численной симуляцией, учитывающей случайные декогерирующие процессы.
Однако главным измерением, проделанным учеными, стала визуализация одно- и двухчастичных матриц плотности всех атомов и полной матрицы плотности всего конденсата. Коэффициенты матриц восстанавливались путем адресного воздействия на все атомы постоянным магнитным и резонансным радиочастотным полями с последующим измерением спина. Эти измерения подтвердили исходную концепцию о том, что состояния отдельных атомов описываются с помощью почти однородной смеси состояний, в то время как конденсат в целом демонстрирует сильные корреляции и очень низкую энтропию.
В заключении авторы предполагают, что предложенный ими протокол может быть использован и для случая, когда будет наблюдаться обмен энергии между спиновыми и пространственными степенями свободы. В этом случае они ожидают возникновение новых, ранее не исследованных фаз вещества. В качестве примера физики приводят моттовский изолятор, который может быть более устойчивым ко внешнему воздействию.
Исследователи регулярно помещают конденсат Бозе — Эйнштейна в новые условия. Недавно мы рассказывали, как его смешали с вырожденным ферми-газом и даже отправили на МКС.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
