Фазовые переходы — это явления, при которых вещество переходит из одной термодинамической фазы в другую под воздействием внешних сил. Наглядно такой переход можно описать, например, замерзанием воды, однако не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Наименее очевидны квантовые фазовые переходы: они сопровождаются изменением термодинамической фазы под влиянием нетепловых параметров — за счет квантовых флуктуаций. Для предсказания механизма квантового перехода используется теоретическая модель Киббла-Зурика, надежных доказательств для которой не существует.

В своем эксперименте американские ученые проанализировали фазовые переходы атомов цезия. Для этого пары цезия охлаждали до температур, близких к абсолютному нулю, и «ловили» образовавшиеся бозоны (конденсаты Бозе — Эйнштейна) в статическое магнитное поле с различной угловой частотой, соответствующей трем осям. В результате пространственно облако холодного газа располагалось под углом в 45 градусов, а бозоны — оказывались заключены в одномерной оптической решетке. Для индукции фазового перехода (в ферромагнитную фазу) авторы систематически «встряхивали» бозоны, изменяя амплитуду и модуляцию решетки.

Фазовый переход бозонов (домены обозначены красным и синим цветами) при «встряхивании» оптической решетки. / © Logan W. Clark, Science, 2016

Результатом такого «встряхивания» был непрерывный квантовый фазовый переход. При переходе атомы, изначально парамагнитного металла, делились на ферромагнитные домены (области с различными векторами поляризации) с положительными и отрицательными импульсами. При этом размер доменов зависел от частоты «встряхиваний» и, как следствие, флуктуаций (от 0,6 до 3,6 нанометра в миллисекунду): он был меньше, когда «встряхивания» происходили с большей скоростью, и атомы быстрее начинали релаксацию после прохождения критической точки. Картина распределения доменов соответствовала механизму Киббла-Зурика.

«Фазовый переход квантового газа в оптической решетке, который демонстрирует наш эксперимент, аналогичен переходу ранней Вселенной. Любая система, совершающая квантовый фазовый переход, должна обладать свойствами, которые мы наблюдали», — сообщил соавтор работы Логан Кларк (Logan Clark). Он добавил, что полученные данные могут быть экстраполированы на различные приложения. Например, механизм Киббла-Зурика может применяться в отношении жидких кристаллов, сверхтекучего гелия или клеточной мембраны.