Физики из университета Аалто, Финляндия, и Амхертского колледжа, США, создали узловые солитонные волны в квантовом поле сверхтекучего газа, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

Конденсат Бозе-Эйнштейна — это агрегатное состояния вещества, наряду с известными твердым, жидким и газообразным состояниями. Чтобы получить конденсат, нужно охладить материю, состоящую из бозонов, до сверхнизких температур. Из школьного курса физики известно, что два и более электрона (которые относятся к фермионам) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Бозоны — частицы с противоположным свойством. Может существовать сколько угодно бозонов, обладающих одинаковым квантовым состоянием.

Топологическая структура квантово-механического узлового солитона. Иллюстрация: D.S.Hall et all., Nature Physics, 2016

При охлаждении бозонов до абсолютного нуля их энергия достигает минимума, в результате чего все бозоны переходят в основное энергетическое состояние. В квантовой механике действует принцип неопределенности, вызывающий флуктуации частицы с нулевой энергией. Из-за таких эффектов, например, гелий-4 (атомы гелия являются бозонами) при нормальном давлении всегда находится в жидком состоянии и при абсолютном нуле представляет собой квантовую жидкость, которая может течь без трения и обладает нулевой вязкостью. Кроме того, в ней возникают топологические образования, вроде квантовых вихрей. Это один из примеров проявления квантовых эффектов на макроскопическом уровне.

Ранее ученые смогли наблюдать в конденсате Бозе-Эйнштейна формирование экзотических структур, таких как скирмионы — кольцевые и вихреобразные магнитные образования, а также солитоны — устойчивые уединенные волны. На основании решения уравнения Максвелла физики предполагали возможность существования в квантовом поле конденсата узлового солитона, который представляет собой бесчисленное множество колец, каждое из которых соединено с другим, образуя тороидальную структуру.

Ни один из узлов этой структуры нельзя развязать без разрушения всей формы. Это примерно так же, как нельзя непрерывно деформировать тор в безупречный шар — сквозная дырка останется, несмотря на все ухищрения. Ядро солитона представляет собой плотное кольцо бозонов, окруженное тороидальной трубкой. В целом вся структура может рассматриваться как способ отображения сферы с трехмерной поверхностью с помощью окружностей и обычной сферы — расслоение Хопфа.

Для создания конденсата ученые в качестве бозонов использовали атомы рубидия-87. С помощью неоднородного электромагнитного поля, приложенного к конденсату особым образом, исследователи воздействовали на магнитный момент бозонов в каждой точке поля, задав им определенное направление. Нулевая точка магнитного поля сперва находилась в 35 микрометрах от центра конденсата, а ее сдвиг к центру привел к тому, что бозоны в тысячные доли секунды образовали области с узловым солитонами внутри, которые соответствовали решению уравнений Максвелла. Физики получили изображения полученных структур, а затем визуально сравнили их с теоретическими результатами компьютерного моделирования эксперимента, доказав, что образовавшиеся формы были именно узловыми солитонами и ничем другим.

Экспериментальное создание узловых солитонов в квантовых полях дает физикам возможность дальнейшего изучения динамики, стабильности и взаимодействия этих структур, что, в свою очередь, позволит ученым больше узнать о поведении квантовых систем и их природе.

Автор: Александр Еникеев