В бозе-конденсате атомов рубидия-87 можно наблюдать одновременное возбуждение голдстоуновской и хиггсовской моды колебаний, хотя обычно одна из этих мод бывает подавлена. Это показали физики из Института квантовой электроники (Швейцария), статья исследователей опубликована в Science.

Коллективные возбуждения изучаются во многих областях физики. Например, в физике элементарных частиц такие возбуждения отвечают реальным частицам (пионам или каонам), в физике твердого тела — квазичастицам (фононам или магнонам). Важную роль в возникновении таких возбуждений играет процесс спонтанного нарушения симметрии.

Для начала разберемся, что такое спонтанное нарушение симметрии. Рассмотрим систему, которую можно описать с помощью некоторого комплексного числа α (то есть скалярного комплексного поля). Из этого числа можно выделить амплитуду |α| и фазу φ, то есть представить его в виде α = |α|e^iφ. Кроме того, предположим, что взаимодействие в системе описывается эффективным потенциалом V, который зависит только от модуля числа и от двух произвольных вещественных параметров r и g: V(α) = r|α|² + g|α|⁴.

Если оба параметра положительны, потенциал имеет единственный минимум (случай A, «обычная фаза»), и симметрия сохраняется. Грубо говоря, все возбуждения нужно отсчитывать от дна ямки, причем неважно, в какую сторону. Если же один из параметров будет положителен (g > 0), а другой отрицателен (r < 0), потенциал становится похож на мексиканскую шляпу (случай B, «упорядоченная фаза»). Теперь минимум энергии достигается сразу во всех точках окружности. Но для описания возбуждений нам нужно выбрать какую-то одну из них, и как только мы это сделаем, мы нарушим симметрию модели. Это и есть спонтанное нарушение симметрии.

Потенциал типа «ямка» (слева) и типа «мексиканская шляпа» (справа). T. Esslinger et. al. / Science

Заметим, что в этой теории возможно сразу два типа колебаний поля. С одной стороны, шарик, помещенный в потенциал типа «мексиканская шляпа», может кататься вдоль круга — это отвечает изменению фазы, но сохранению амплитуды поля (синие стрелочки на рисунке). С другой стороны, он может колебаться в потенциале вверх-вниз, и тут все строго наоборот: фаза сохраняется, зато меняется амплитуда (черные стрелочки на рисунке). Возбуждение первого типа называется голдстоуновской модой (безмассовым голдстоуновским бозоном), возбуждение второго типа — хиггсовской модой (или массивным голдстоуновским бозоном).

В идеальной ситуации обе моды должны существовать одновременно, однако на деле зарегистрировать сразу оба типа колебаний практически невозможно. Например, в случае массивных частиц подавление голдстоуновской моды происходит из-за механизма Андерсона-Хиггса. Поэтому до сих пор ученые наблюдали хиггсовскую и голдстоуновскую моду только по отдельности.

В данной статье группе физиков под руководством Тильмана Эсслинджера (Tilman Esslinger) впервые удалось увидеть сразу обе моды в одном и том же веществе — в бозе-эйнштейновском конденсате атомов рубидия-87. Для удержания и охлаждения атомов ученые использовали два перекрывающихся лазерных пучка (резонатора). Частота пучков была подобрана таким образом, что атомы образовали твердую кристаллическую структуру. Симметрию установки экспериментаторы нарушили с помощью стоячей световой волны с длиной около 785 нанометров и переменной интенсивностью.

Схема экспериментальной установки. T. Esslinger et. al. / Science

Затем ученые дополнительно светили на кристалл фотонами, чтобы возбудить в нем колебания, и следили за возбуждениями с помощью брэгговской спектроскопии. Проще говоря, они смотрели, как кристалл искажает световые лучи, проходящие через него. В результате оказалось, что до определенной величины силы, разрушающей симметрию, существует только «обычная» фаза, которая отвечает потенциалу с одним минимумом. Однако при дальнейшем увеличении воздействия в спектре возбуждений появляется две ветви, одна из которых отвечает голдстоуновской моде, а вторая — хиггсовской.

Зависимость частоты возбуждений в кристалле от величины силы, вызывающей асимметрию. Кружками отмечены колебания в «нормальной фазе», квадратами и треугольниками — в «упорядоченной». Серым отмечены теоретические предсказания. T. Esslinger et. al. / Science

Чтобы убедиться в том, что это действительно две различных моды, исследователи измерили, как зависит от времени число фотонов, пойманных в разные резонаторы и отвечающих разным частотам колебаний. Для хиггсовской моды эти числа должны быть скоррелированы, для голдстоуновской моды — антискоррелированы (то есть там, где у одной зависимости максимум, у другой — минимум). В самом деле, так и оказалось.

Зависимость от времени числа фотонов в первом и втором резонаторе (красный и желтый цвета). Сверху приведен случай хиггсовской моды, внизу — голдстоуновской. T. Esslinger et. al. / Science

Таким образом, ученые показали, что в бозе-конденсате атомов рубидия-87 при определенных условиях действительно возникало сразу два типа колебаний.

Примерами голдстоуновских бозонов являются фононы и магноны, возникающие в сверхпроводнике в результате спонтанного нарушения симметрии теории БКШ. Прочитать, какую роль в образовании сверхпроводимости играют эти квазичастицы, можно в нашем материале.

Автор: Дмитрий Трунин