Физики сообщили о первом экспериментальном подтверждении эффекта квантового бумеранга. Они показали, что средний импульс атомов в изначально покоящемся бозе-эйнштейновском конденсате возвращается к нулю после серии периодических воздействий оптическими решетками. Как и предсказывала теория, эффект сохраняется только тогда, когда в системе есть симметрии относительно отражения и инверсии времени.

Исследование опубликовано в Physical Review X.

Про дифракцию чаще всего говорят тогда, когда волна падает на среду, в которой присутствует какой-либо порядок. Например, периодически расположенные щели формируют дифракционную решетку для света. Другой пример — это дифракция электронов на периодической кристаллической решетке. Последнее лежит в основе зонной теории твердых тел, определяя весь набор разрешенных и запрещенных энергетических состояний электронов в кристаллах.

В середине прошлого века Андерсон показал, что наличие беспорядка в кристаллической решетке способно при определенных условиях локализовывать электроны. В основе этого явления лежит деструктивная интерференция между множеством путей рассеяния электронной волновой функции. Явление имеет универсальный волновой характер, поэтому впоследствии оно было обнаружено также для света, звука и волн атомной материи.

Локализация Андеросна обычно описывается на языке стационарных состояний, то есть состояний, не зависящих от времени. Когда физики попытались теоретически исследовать динамику волн в таких условиях, они выяснили, что при этом может возникнуть эффект квантового бумеранга. Суть эффекта в том, что, если в системе с симметрией относительно инверсии времени придать волновому пакету некоторый импульс, то вскоре он вернется в исходное состояние. До недавнего времени квантовый бумеранг оставался лишь теоретической концепцией.

Группа физиков из Бразилии, США и Франции под руководством Дэвида Велда (David Weld) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сообщили о первом экспериментальном наблюдении эффекта квантового бумеранга в бозе-эйнштейновском конденсате.

Ученые воздействовали на атомное облако последовательностью оптических решеток, эмулируя частицу, находящуюся в квазиодномерных хаотических условиях, и наблюдали за тем, как ее состояние за счет локализации Андерсона в импульсном пространстве возвращается в исходное после толчка.

Исследования по теории хаоса часто опираются на простейшую модель ротатора, подверженного периодическим толчкам. Эта модель описывает частицу, бегающую по кольцу, либо вращающийся стержень, на которые периодически воздействует короткая по длительности (в идеале с зависимостью от времени в виде дельта-функции) сила фиксированного направления. За исключением ряда частных случаев динамика такого ротатора становится сложной, а зависимость воздействия от координаты — случайной величиной. По этой причине квантовая версия ротатора, подверженного толчкам, стала отправной точкой для исследования эффекта квантового бумеранга.

Для воспроизведения квантового ротатора в эксперименте, физики выбрали в качестве платформы конденсат Бозе — Эйнштейна, состоящий из 100 тысяч атомов лития, локализованных в минимумах оптической решетки с длиной волны 532 нанометра. Протокол состоял в резком выключении этой решетки и периодическом и коротком наведении аналогичной решетки, но смещенной в пространстве на четверть периода. Это позволило эмулировать толкаемый квантовый ротатор, так как гамильтониан атома периодически зависел от координаты и совпадал с таковым для модели ротатора.

Авторы повторяли протокол, с каждым разом увеличивая число толчков, и измеряли средний импульс атомов по времени их свободного пролета после выключения лазера. В результате они увидели, что первое время конденсат приобретает значительный импульс, но последующие толчки постепенно возвращают его в состояние покоя. Увиденное поведение оказалось в хорошем согласии с численными симуляциями.

(a) Протокол эксперимента. (b) Зависимость среднего импульса атомов от количества толчков. / Roshan Sajjad et al. / Physical Review X, 2022

Физики также убедились, что эффект квантового бумеранга исчезает, если в системе пропадает симметрия относительно отражения и относительно инверсии времени. Для проверки первого они нужным образом создавали несимметричное начальное состояние конденсата, для проверки второго — случайно нарушали периодичность толчков. В обоих случаях средний импульс не стремился к нулю с ростом числа толчков.