Физики из Института квантовой оптики им. М. Планка, Университета Гарварда и Калифорнийского технологического института экспериментально установили существование резонанса Хиггса в холодных атомах вблизи фазового перехода.

Один из участников проекта, приглашённый докладчик Российского Квантового Центра, профессор факультета физики Гарвардского университета Евгений Демлер рассказал об исследованиях с использованием холодных атомов, выступив в преддверии открытия с докладом в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.

Ультрахолодные атомы и оптические решётки сегодня считаются одним из наиболее перспективных инструментов в квантовом моделировании и изучении сверхпроводимости. С помощью моделей с сильно уменьшенными энергиями (до пико- и микрокельвинов) они позволяют имитировать высокотемпературную сверхпроводимость.

Евгений Демлер:

«Замечательно в этих холодных атомах то, что мы можем делать модели, которые точно реализуемы в фермионных моделях атомов. И хотя все эффекты измерить пока не удаётся, мы точно знаем, что в этой системе есть модель Хаббарда – это простейшая модель, описывающая взаимодействие частиц в кристаллической решётке и переход между проводящим и диэлектрическим состоянием.

Связи между фермионами в ней упрощены до очень локального уровня: просто есть квадратная решётка и фермионы «бегают» из одного узла в другой». Эта модель призвана помочь в изучении причин высокотемпературной сверхпроводимости.

На этот раз в центре внимания учёных оказалось явление, которое играет ключевую роль в фазовом переходе – спонтанное нарушение симметрии.

Оно возникает, например, когда магниты в ферромагнитном материале самопроизвольно ориентируются в одном направлении при охлаждении до температуры Кюри. В случае возбуждения системы в ней могут возникнуть коллективные колебания, при которых частицы будут двигаться согласованно.

Если коллективное движение происходит в соответствии с принципами теории относительности (точнее, её «эффективной» части, в которой скорость света заменяется скоростью звука, что приводит к существенно более медленной динамике), то возможно появление особого колебания – так называемого резонанса Хиггса. В Стандартной модели, описывающей взаимодействие всех известных частиц, ему соответствует широко обсуждаемый в последнее время бозон Хиггса. Одноимённое возбуждение может появляться и в твердотельных системах, если коллективное движение частиц подчиняется законам теории относительности.

Основная сложность состоит в том, что, как и в физике элементарных частиц, в твердотельных системах резонанс Хиггса быстро затухает до уровня низкоэнергетических возбуждений и поэтому с трудом поддаётся детектированию.

Особенно короткий срок жизни он имеет в системах с небольшим числом измерений. До недавнего времени физики и вовсе сомневались в самой возможности обнаружения резонанса в таких структурах.

Теперь учёным удалось экспериментально распознать колебание в двумерной системе, причём его существование установлено при крайне низких температурах, в то время как обычно это явление наблюдается на уровне максимальных температур – такие условия создаются, например, в экспериментах Большого Адронного Коллайдера (БАК) в ЦЕРНе.

Рис. 1. Экспериментальный прибор в Институте квантовой оптики им. М.Планка – «оптический стол» с лазерами для охлаждения атомов и оптические и электрооптические элементы, регулирующие параметры лазерных лучей.

Всего исследователи охладили около 500 атомов рубидия до температуры, близкой к абсолютному нулю, и поместили их в оптическую решётку, которая образована из лазерных лучей, пересекающихся под прямым углом. Холодные атомы в ячейках решётки позволили смоделировать различные состояния вещества.

Рассказывает Евгений Демлер:

«При углублении отсеков, которое достигается с помощью более интенсивного лазерного света, развивается высокоупорядоченное состояние, известное как «диэлектрик Мотта», – материал такого типа не проводит электричество из-за сильного межэлектронного взаимодействия. В этом случае охлаждённые атомы занимают фиксированное положение в ячейках. При уменьшении глубины ячеек происходит фазовый переход, и вещество превращается в сверхтекучую жидкость».

При этом атомы получают возможность беспрепятственно рассредоточиваться и становятся частью квантово-механической волны, которая распространяется на всю решётку (из-за двумерности её можно сравнить с кожей барабана).

Когда равновесие единой квантовой системы нарушается, коллективные колебания могут образовать колебание особого типа – «резонанс Хиггса», который аналогичен вибрации барабанной кожи при ударе.

Исследователи настроили параметры двумерной системы таким образом, что квантовый газ оказался близок к фазовому переходу между диэлектриком Мотта и сверхтекучей жидкостью. Затем глубину ячеек стали изменять на короткое время (порядка нескольких миллисекунд); плавность и непродолжительность модуляции была важна для того, чтобы избежать побочных эффектов и распознать нужный резонанс. С помощью разработанного группой высокочувствительного метода, который позволяет измерять температуру с точностью до одной миллиардной кельвина, учёные обнаружили небольшие пики в распределении температур при определённых значениях частот модуляции.

Повышение температуры объясняется тем, что система поглощает больше энергии, когда частота модуляции яркости совпадает с частотой колебания в хиггсовом поле и резонансы образуются более интенсивно.

Результаты наблюдений могут быть использованы для исследования хиггсова поля в концепциях, рассматривающих системы с более высоким числом измерений, например, в теории струн. В теоретическом виде точную форму резонанса Хиггса на данный момент вычислить невозможно (хотя его теоретическое описание проще, чем в случае с бозоном Хиггса на БАК): препятствием вновь служит сильное затухание колебания. Сейчас физики сконцентрированы на обосновании принципа детектирования резонанса.