Физики из Германии смогли впервые экспериментально получить капли «квантовой жидкости», состоящие из «магнитных» атомов диспрозия ¹⁶⁴Dy, которые остаются стабильны некоторое время даже без использования оптических ловушек. По мнению авторов, такие системы являются хорошими модельными объектами для проверки различных современных физических теорий: от высокотемпературной сверхпроводимости до теории суперструн. Работа опубликована в журнале Nature.

Квантовая жидкость — это такое состояние материи, при котором квантовые эффекты начинают оказывать влияние на макроскопические свойства вещества. Строго говоря, от общепринятого определения «жидкости» в этих объектах остается только требование достаточно слабых взаимодействий между отдельными ее частицами: сильнее, чем в системах во свойствами газов, но слабее, чем в твердых телах. При этом они могут состоять из самых разных частиц и даже квазичастиц, выглядеть как жидкость со странным свойствами (сверхтекучий гелий) или распространяться внутри твердого тела (куперовские пары в сверхпроводниках).

Квантовой жидкость становится тогда, когда расстояние между частицами в ней становится сопоставимо с длиной волны (волны де Бройля), отражающей волновые свойства составляющих жидкость частиц. Например, переохлажденных атомов ¹⁶⁴Dy. Другими словами, частицы квантовой жидкости должны взаимодействовать друг с другом достаточно слабо, чтобы не конденсироваться в кристалл, но при этом находиться на таком близком расстоянии друг от друга, чтобы их волновые свойства влияли друг на друга.

Достигнутая в последние годы экспериментальная возможность контролируемым образом менять плотность и параметры взаимодействий в атомных газах и жидкостях делает эти объекты идеальными модельными системами для изучения различных явлений на квантовом уровне. Например, открытым до сих пор остается вопрос о том, при каких условиях многочастичная квантовая система может оставаться стабильной. Частным случаем этой проблемы является вопрос об устойчивости капель квантовых жидкостей. Решение этих проблем может пригодиться не только для теоретической физики, но также может помочь в создании устройств, в основе которых лежат как раз многочастичные квантовые системы — квантовых компьютеров (см. наш материал Квантовая азбука: «Компьютер»).

Иллюстрация эксперимента по созданию устойчивой капли квантовой жидкости. Изначально удерживаемые лазерами оптической ловушки и магнитным полем атомы формируют продолговатую каплю. После этого лазеры отключаются и жидкость некоторое время левитирует за счет внутренних взаимодействий, контролируемых магнитным полем. Через некоторое время капля коллапсирует в облако атомного газа. Matthias Schmitt et al. / Nature, 2016

Авторы нового исследования работали именно над решением задачи об устойчивости капель квантовой жидкости. В своей статье они рассматривали возможность создания квантовой системы из магнитных атомов, которая могла бы существовать самостоятельно, без дополнительно удерживающих атомы на местах приспособлений.

В другом недавнем исследовании уже удавалось создать такие «магнитные капли», однако они находились внутри оптической ловушки. Оптическими ловушками называют системы перекрещенных лазерных лучей, в которых образуется периодический потенциал с минимумами и максимумами энергии, который может удерживать, например, атомы такой «магнитной капли» на местах. Целью авторов новой работы был поиск такой квантовой системы, которая удерживала бы форму самостоятельно, наподобие того, как обычная капля воды держит форму за счет равновесия сил отталкивания и притяжения.

Физики выбрали в качестве материала для квантовой жидкости атомы диспрозия —  элемента с одним из наибольших магнитных дипольных моментов из всей периодической системы (9,93 μB- магнетонов Бора). Первоначально охлажденный до 20 нанокельвин атомный газ, удерживаемый с помощью оптических ловушек, помещали в градиентное магнитное поле, компенсирующее силу гравитации. Затем величина его индукции варьировалась таким образом, что можно было изменять силу взаимодействий между атомами за счет так называемого резонанса Фешбаха. За счет этого эффекта удавалось контролировать силу притяжения или отталкивания между частицами, заставляя атомы сближаться, что в конечном итоге приводило к образованию «капли» квантовой жидкости.

Зависимость длины рассеяния от магнитного поля, иллюстрирующая эффект Фешбаха. При положительных значениях длины рассеяния (левая кривая) реализуется притяжение между атомами. Заштрихованная область соответствует индукции магнитных полей, создаваемых в эксперименте. Matthias Schmitt et al. / Nature, 2016

После формирования «капли» лазеры оптических ловушек постепенно выключали и следили за тем, как будет вести себя левитирующая в магнитном поле жидкость. Оказалось, что количество атомов, необходимое для формирования устойчивой «капли» зависит от величины индукции внешнего магнитного поля, а, следовательно, от силы притяжения между частицами. При этом лишь часть первоначальных атомов газового облака образуют внутри квантовую жидкость, остальные же довольно быстро испаряются за счет тепловых колебаний и покидают зону эксперимента. Через некоторое время левитирующая «капля» коллапсирует в газовое облако, предположительно, за счет постепенного испарения атомов с ее поверхности.

Таким образом, авторам данного исследования удалось найти способ создания устойчивых квантовых жидкостей, состоящих из нескольких сотен «магнитных»атомов диспрозия ¹⁶⁴Dy, которые могут оставаться в стабильном состоянии некоторое время без помощи удерживающих оптических ловушек. В дальнейшем физики планируют использовать такие системы для поиска возможных взаимодействий и корреляций между силами притяжения-отталкивания и различными квантовыми эффектами.

Многие последние достижения физии низких температур связаны с развитием новых экспериментальных методик, позволяющих манипулировать отдельными атомами и даже многочастичными системами при температурах близких к абсолютному нулю. Так, различные лазерные и магнитные методы позволили не только создавать сверхнизкие температуры, но и контролировать расстояния между частицами в системе, варьируя таким способом тип и силу взаимодействий между ними. Это позволяет ученым воспроизводить отдельные аспекты сложных физических явлений, которые сложно изучать напрямую. Например, с помощью конденсата Бозе-Эйнштейна из атомов рубидия удалось пронаблюдать очень редкое в физике состояние, которое называется «бабочкой Хофштадтера». 

Автор: Екатерина Митрофанова