Немецкие ученые впервые экспериментально продемонстрировали существование фононного Лэмбовского сдвига. Результаты согласуются с теорией, а разработанная модель квантового вакуума на основе ультрахолодных атомов является многообещающей платформой для исследования загадок квантовой электродинамики. Статья опубликована в журнале Physical Review X.

Лэмбовский сдвиг — это различие между энергиями двух стационарных состояний атома водорода, обусловленное взаимодействием с «квантовым вакуумом» — нулевыми флуктуациями электромагнитного поля (или нулевыми фотонными колебаниями). Существование аналогичного явления в твердотельной системе было предсказано давно (в 1961 году), однако его экспериментальных подтверждений до сих пор не было получено.

Твердотельная система, в которой, согласно теоретическим расчетам, наблюдается аналог Лэмбовского сдвига, устроена следующим образом: в качестве одиночного электрона атома H выступает локализованный дефект в полупроводнике, а роль квантового вакуума играют акустические (фононные) колебания. Реальный эксперимент по наблюдению различия энергий стационарных состояний у таких дефектов сложно поставить из-за неизбежной неупорядоченности в реальных твердых телах.

Авторам исследования удалось создать экспериментальную модель на основе ультрахолодных атомов, в которой можно «включать» и «выключать» квантовый вакуум. Ученые использовали двухкомпонентную смесь: около миллиона ультрахолодных атомов натрия находились в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна и играли роль подсистемы с нулевыми фононными колебаниями. Второй компонент смеси — примеси лития (около 1000–10000 штук), заключенные в оптической решетке. Решетка, удерживающая примесные атомы в локализованном состоянии, образовывалась с помощью интерференции двух лазерных лучей. Таким образом был получен аналог твердого тела, в котором дефекты (примеси лития) локализованы в периодическом потенциале (решетке) и взаимодействуют с нулевыми флуктуациями квантового вакуума (нулевыми фононными колебаниями).

Линия А спектра водорода. candace /Flickr

Ученые измеряли различия двух близких состояний «пойманного» лития с бозе-конденсатом («вкл» квантового вакуума) и без него («выкл»). Измерения разницы энергий проводились с помощью спектроскопии Рамси.

Схема эксперимента: (a) два состояния атомов лития имеют одинаковую резонансную частоту и эффективную массу в оптической решетке. Из-за взаимодействия с фононными колебаниями наблюдается Лэмбовский сдвиг. (b) Экспериментальная установка: лазерные лучи удерживают литий и натрий вместе (обозначены красным) и образуют оптическую решетку (зеленым). В результате изолированные атомы Li (синим) погружены в большое количество бозе-конденсата (желтым), играющего роль квантового вакуума. Tobias Rentrop et al., Phys. Rev. X, 2016

Энергетический сдвиг между состояниями лития имел место только в опытах с бозе-конденсатом. В опыте без квантового вакуума состояния имели одинаковую энергию, так как не было никаких взаимодействий с нулевыми фононными колебаниями. Таким образом, квантовый вакуум действительно приводит к смещению энергетических уровней в твердом теле, как и предсказывалось еще в середине прошлого столетия.

В последнее время на основе холодных атомов строят множество экспериментальных систем. Все дело в том, что в отличие от реальных твердотельных систем, установки с ультрахолодными атомами позволяют очень точно подстраивать параметры и управлять ими. Также разработан арсенал методов изучения таких систем, позволяющий всесторонне наблюдать за объектом: от построения структурных изображений с атомарной точностью, до исследования квантовых состояний атомов.

Предложенная авторами статьи экспериментальная система открывает новые возможности для количественного измерения различных эффектов квантовой электродинамики. Возможно, этот экспериментальный стенд поможет пролить свет фундаментальные нерешенные вопросы, такие как, например, происхождение высокотемпературной сверхпроводимости.

А для теоретического изучения предсказаний квантовой электродинамики отлично подходит квантовый компьютер: не так давно ученые с его помощью промоделировали процесс рождения электрон-позитронных пар в электрическом поле.

Автор: Екатерина Жданова