Атомы лития-6 можно поймать в ловушку из бозе-конденсата атомов цезия-133, если наложить на систему внешнее магнитное поле и заставить атомы взаимодействовать. При этом получившаяся система остается стабильной даже тогда, когда теория предсказывает ее разрушение. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

В холодных атомных газах возникает много интересных эффектов. Например, в них могут образоваться гетероядерные молекулы или поляроны — квазичастицы, которые состоят из электрона и окружающего его облака фононов. Особенно интересны смеси частиц с разными свойствами, например, бозонов и фермионов. С помощью таких систем можно моделировать сверхпроводимость или создавать необычные состояния вещества.

Обычно в подобных смесях масса частиц полагается одинаковой (или очень близкой). Но что будет, если какие-то из них будут весить существенно меньше? Физики из университета Чикаго ответили на этот вопрос, рассмотрев холодную смесь атомов 6Li (которые являются фермионами) и 133Cs (бозоны), массы которых отличаются более чем в двадцать раз.

B. J. DeSalvo et. al. / Phys. Rev. Lett.

Для этого ученые приготовили атомы лития и цезия, поместив их в оптические ловушки и предварительно охладив с помощью лазера. Число частиц в обоих случаях примерно равнялось двум миллионам, при этом изначально атомы лития и цезия не взаимодействовали друг с другом. Затем ученые включили магнитное поле, и газы начали активно испаряться и охлаждаться. Этот процесс исследователи поддерживали в течение десяти секунд, пока оба образца не охладились до температуры около трехсот нанокельвинов. После этого физики включили взаимодействие между образцами, еще раз наложив на них магнитное поле (около резонанса Фешбаха), и убедились в том, то образцы действительно перешли в состояние бозе-конденсата и вырожденного ферми-газа.

Схематичное изображение потенциала, в котором находятся атомы лития. Слева изображен случай до включения «растаскивающего» поля, справа — после. B. J. DeSalvo et. al. / Phys. Rev. Lett.

Концентрация атомов лития в образце. Белая линия очерчивает основную часть атомов лития, красная линия (внизу изображений) очерчивает ловушку бозе-конденсата. Слева изображен случай до включения «растаскивающего» поля, справа — после. B. J. DeSalvo et. al. / Phys. Rev. Lett.

Наконец, исследователи показали, что часть атомов лития оказалась пойманной в ловушку внутри бозе-конденсата. Для этого они снова ненадолго включили магнитное поле. На этот раз его величина была подобрана таким образом, чтобы «приподнять» облако атомов лития, но не тронуть более тяжелые атомы цезия, качественно это можно изобразить с помощью изменения формы потенциала (смотри рисунок а). При этом бóльшая часть облака действительно сдвинулась, однако часть атомов лития, находящихся внутри бозе-конденсата, осталась на месте.

При дальнейшем увеличении напряженности поля число пойманных частиц уменьшалось, но в целом конфигурация оставалась стабильной. Это было неожиданно, поскольку теория предсказывала, что смеси бозонов и фермионов неизбежно коллапсируют, когда «растаскивающее» поле превышает определенный предел.

Зависимость числа атомов лития, пойманных в ловушке, от величины «растаскивающего» поля. Серым отмечена область, запрещенная статистикой Ферми (то есть принципом Паули), синим — область, запрещенная теорией среднего поля. B. J. DeSalvo et. al. / Phys. Rev. Lett.

Расхождение физики предложили объяснить охлаждением конденсата, возникающим из-за столкновения частиц. При больших значениях магнитного поля число столкновений увеличивается, и охлаждение преобладает над нагреванием, не давая полю раскачать атомы лития и вытащить их из ловушки.

В прошлом месяце мы писали о неожиданно красивом явлении, которое возникает в бозе-конденсате атомов цезия, удерживаемых с помощью лазера в дискообразной ловушке: при воздействии переменного магнитного поле из диска выбрасывались потоки частиц, напоминающие взрыв фейерверка.

Автор: Дмитрий Трунин