Физики из Массачусетского технологического Института, США впервые экспериментально получили конденсат Бозе-Эйнштейна в сильном «синтетическом» магнитном поле. В такой системе возникает очень редкое в физике состояние, когда спектр частиц по энергии описывается фрактальной структурой, которая называется «бабочкой Хофштадтера. Работа опубликована в Nature Physics.

Авторы охлаждали атомы рубидия до температур в несколько нанокельвинов, а затем помещали их в двухмерную оптическую ловушку, образованную лучами лазеров. Она удерживала атомы в упорядоченном виде, так как электромагнитное излучение представляет собой колебания электрического и магнитного полей, то есть чередующиеся зоны, где атомам или выгодно, или невыгодно находится.

Целью ученых было заставить упорядоченные атомы рубидия двигаться так, как будто бы они были помещены в очень сильное магнитное поле, на практике недостижимое. Заряженные частицы в таком поле движутся по круговым орбитам, причем их радиус тем меньше, чем сильнее поле. Авторы стремились получить орбиты, размер которых был бы сопоставим с характерными расстояниями между атомами. Для этого удалось создать «искусственное магнитное поле»: атомы дополнительно освещались несколькими лазерами, а плоскость ловушки был немного наклонена. Комбинация действия лазеров и гравитации как раз приводила к тому, что атомы двигались по круговым орбитам с радиусом, равным двум периодам решетки.

Для характеризации полученной системы авторы воспользовались тем фактом, что атомы рубидия при столь низкой температуре являются конденсатом Бозе-Эйнштейна, а значит, могут обладать сверхтекучестью. Это явление хорошо описано, поэтому известно, как такая система будет двигаться. Ученые на небольшие промежутки времени выключали часть лазеров, удерживающих атомы, а затем при помощи дифракции наблюдали, как изменяется упорядоченность структуры.

Оказалось, что полученный рубидиевый газ в самом деле демонстрировал свойства, предсказанные теорией Харпера-Хофштадтера для частиц в очень сильном магнитном поле. В частности, ученым удалось подтвердить существование бабочки Хофштадтера — энергетического спектра системы, обладающего свойством самоподобия, то есть являющегося фракталом.

По словам авторов, их работы открывает окно в новую физику. В частности, из-за сопоставимости радиусов круговых орбит и параметра решетки могут возникать необычные топологические эффекты, практически невозможные в других системах. Примерами чего-то похожего могут служить топологические изоляторы, ставшие популярными объектами в теоретической физике последних лет. Эти системы в объеме являются диэлектриками, но обладают проводящей поверхностью, что может использоваться в ряде приложений, например, в квантовых вычислениях.

Фотография: Bryce Vickmark