Формирование квазичастиц, таких как поляроны, в физических системах, состоящих из конденсированного вещества, происходит чрезвычайно быстро, что, в свою очередь, делает очень сложным процесс наблюдений за этими явлениями. Исследовательская группа из университета Инсбрука, Австрия, совместно с учеными из Гарвардского университета, Технологического университета Мюнхена и университета Монаша, Австралия, произвела ряд экспериментов с сверхохлажденным квантовым газом, что позволило им впервые в истории наблюдать за процессом формирования поляронов в режиме реального времени.

Понятие квазичастицы является весьма мощным инструментом, который позволяет описать некоторые процессы, происходящие в системах, состоящих из нескольких разнотипных физических объектов, таких, как твердые материалы. К примеру, когда электрон перемещается внутри материала, он своим электрическим зарядом создает поляризацию других окружающих его частиц. Это «поляризованное облако» движется вместе с электроном и получившееся образование можно рассматривать как квазичастицу, называемую поляроном.

«Полярон можно представить себе как лыжника, спускающегося с горы в снежный день» – рассказывает Рудольф Гримм (Rudolf Grimm), глава исследовательской группы, – «Этот лыжник окружен движущимся вместе с ним облаком снежинок. Все это формирует физическую систему, имеющие немного отличные свойства от лыжника, который не окружен облаком снежинок».

Одна из основных проблем исследований, связанных с квазичастицами различных типов, заключается в трудности измерений их параметров. «Некоторые квазичастицы существуют только на протяжении аттосекунд времени. За такой короткий промежуток трудно измерить даже их основные параметры, а наблюдать за процессом их формирования еще трудней, ведь он происходит еще быстрее».

Для наблюдений за процессами формирования квазичастиц ученые использовали сверхохлажденый квантовый газ, который является идеальной платформой для изучения множества физических явлений и экзотических состояний материи. Такой газ создается в среде, которая позволяет реализовать управление его состоянием и управление взаимодействием частиц, входящих в состав этого газа. Как и во многих других случаях, квантовый газ создавался внутри вакуумной камеры, где в недрах ловушки, составленной из лазерных лучей, были заключены атомы одного из изотопов лития, перемешанные с атомами изотопа калия в центре «газового облака». Для управления взаимодействием между атомами использовались магнитные поля.

«В конденсированном веществе временные рамки процессов формирования квазичастиц находятся в промежутке порядка 100 аттосекунд» – рассказывает Рудольф Гримм, – «Мы же наблюдали за процессами, происходящими в гораздо менее плотной среде, в которой время формирования поляронов составило несколько микросекунд».

«Для наблюдений за формированием поляронов в режиме реального времени нам пришлось разработать несколько принципиально новых методов» – рассказывает Рудольф Гримм, – «Исследования этих квазичастиц и, возможно, некоторых других, проведенные точно таким же образом, позволят нам лучше понять квантово-физические свойства сверхбыстрых электронных устройств, которые в недалеком будущем смогут стать основой более мощной и более эффективной электроники».