Достижения в области квантовой физики часто сопровождаются захватывающими открытиями. Новый прорыв исследователей из Массачусетского технологического института не стал исключением. Ученым удалось сблизить два слоя ультрахолодных магнитных атомов, обнаружив удивительные квантовые явления, которые ранее никогда не наблюдались.
Странное поведение
Контекст этого прорыва имеет решающее значение для понимания всей его значимости. Прежде всего, давайте рассмотрим, что происходит, когда атомы охлаждаются до чрезвычайно низких температур, близких к абсолютному нулю (-273,15 °C).
При таких температурах тепловые движения атомов становятся практически незначительными, что заставляет их занимать свое самое низкое квантовое состояние, также известное как основное состояние. Тогда атомы ведут себя в соответствии с правилами квантовой механики, где классические представления о дискретных частицах заменяются вероятностными и волнообразными характеристиками.
Конденсат Бозе-Эйнштейна — это квантовое явление, которое возникает, когда атомы, охлажденные до сверхнизких температур, оказываются в одном и том же квантовом состоянии, образуя своего рода «супер-атом», где границы между отдельными частицами становятся размытыми. В отличие от обычной материи, где каждый атом является отдельным, в конденсате Бозе-Эйнштейна атомы ведут себя коллективно, как единое целое.
Это волнообразное поведение — одна из самых интригующих особенностей квантовой физики. Оно показывает, как свойства отдельных атомов могут переплетаться и накладываться друг на друга, образуя совершенно новые макроскопические явления. Эта способность частиц вести себя подобно волнам важна для понимания многих аспектов квантовой физики, включая сверхпроводимость, сверхизлучение и другие сложные явления.
Несколько технических проблем
Однако изучение квантовых явлений сопряжено со значительными техническими трудностями, особенно когда речь идет о взаимодействиях между частицами. В частности, они часто бывают чувствительны к расстоянию между ними, что может усложнить эксперименты и наблюдения.
В упомянутом выше исследовании ученые сосредоточились на атомах диспрозия, особенностью которых является возможность взаимодействовать на больших расстояниях посредством диполь-дипольных взаимодействий. Это слабые силы притяжения, возникающие между частичными зарядами соседних атомов. В отличие от других типов атомных взаимодействий, таких как взаимодействие Ван-дер-Ваальса, которое быстро уменьшается с расстоянием, диполь-дипольное взаимодействие может ощущаться на больших расстояниях.
Однако, даже обладая такой способностью взаимодействовать на расстоянии, исследователи сталкиваются с проблемами при изучении этих дальнодействующих квантовых взаимодействий. Основная трудность заключается в необходимости предельно точно контролировать расстояние между частицами. Незначительные изменения расстояния между атомами могут оказывать существенное влияние на их квантовое взаимодействие.
Пары атомов на расстоянии 50 нанометров друг от друга
Чтобы преодолеть технические препятствия и изучить квантовые эффекты в таком точном масштабе, исследователям приходится использовать инновационные методы. В данном исследовании команда Массачусетского технологического института нашла решение, используя лазерные лучи, сфокусированные через линзу. Они образуют гауссову точку фокуса, которая действует как энергетическая ловушка для атомов. Идея состоит в том, чтобы заключить их внутри и удержать в нужном положении.
Особую изобретательность этому подходу придает то, что исследователи использовали два отдельных лазерных луча, чтобы задерживать вращение атомов диспрозия вверх и вниз по отдельности. Эти лазерные лучи настроены на немного разные частоты и углы поляризации, так что каждый из них улавливает только одно из атомных вращений.
Эта техника позволяет исследователям точно контролировать бислой атомов диспрозия, удерживая их невероятно близко друг к другу. Тщательно контролируя свойства оптического пинцета, команде Массачусетского технологического института удалось свести два вращения атомов на расстояние 50 нанометров друг от друга — в десять раз ближе, чем в предыдущих экспериментах. Это значительно увеличило силу взаимодействия между атомами, открыв путь к углубленному изучению квантовых эффектов в таких масштабах.
Каковы последствия?
Эта беспрецедентная близость выявила ряд странных квантовых эффектов, одним из самых примечательных из которых является передача тепла через вакуум между двумя слоями атомов. Это явление противоречит обычным представлениям о переносе тепла, демонстрируя сложность квантовых взаимодействий в таких масштабах.
Изучение квантовых взаимодействий между этими бислоями атомов на этом не заканчивается. Исследователи намерены изучить новые аспекты, в частности то, как эти бислои взаимодействуют со светом. Эти исследования крайне важны, поскольку они могут открыть ранее неизвестные явления и проложить путь к новым технологическим приложениям.
Одним из наиболее интригующих аспектов является возможность формирования пар Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Это квантовые связанные состояния, которые образуются между определенными субатомными частицами, называемыми фермионами, при очень низких температурах. В этих парах фермионы связаны друг с другом квантовыми взаимодействиями, создавая коллективное состояние, которое ведет себя иначе, чем отдельные частицы.
Образование таких пар БКШ представляет особый интерес, поскольку оно тесно связано с хорошо известным явлением — сверхпроводимостью. В некоторых материалах, когда электроны образуют БКШ-пары, они могут проходить через материал, не встречая электрического сопротивления, создавая состояние сверхпроводимости. Это явление имеет важное значение для различных областей, включая электронику, сенсорные технологии и передачу энергии.
Изучая возможность формирования пар БКШ в этих бислоях атомов, исследователи прокладывают путь к новым достижениям в области сверхпроводимости. Потенциально эти открытия могут привести к созданию сверхпроводящих материалов при комнатной температуре, что произведет революцию во многих аспектах современных технологий.
Подробности исследования опубликованы в журнале Science.
