Фізики вперше побачили квантовий бумеранг в експерименті

Фізики повідомили про перше експериментальне підтвердження ефекту квантового бумеранга. Вони показали, що середній імпульс атомів у бозі-ейнштейнівському конденсаті повертається до нуля після серії періодичних впливів оптичними ґратами. Як і передбачала теорія, ефект зберігається тільки тоді, коли в системі є симетрії щодо відображення та інверсії часу. Дослідження опубліковано в.

Про дифракцію найчастіше говорять тоді, коли хвиля падає на середу, в якій присутній будь-який порядок. Наприклад, періодично розташовані щілини формують дифракційну решітку для світла. Інший приклад - це дифракція електронів на періодичній кристалічній решітці. Останнє лежить в основі зонної теорії твердих тіл, визначаючи весь набір дозволених і заборонених енергетичних станів електронів у кристалах.

У середині минулого століття Андерсон показав, що наявність безладу в кристалічній решітці здатна за певних умов локалізовувати електрони. В основі цього явища лежить деструктивна інтерференція між безліччю шляхів розсіювання електронної хвильової функції. Явище має універсальний хвильовий характер, тому згодом воно було виявлено також для світла, звуку і хвиль атомної матерії.

Локалізація Андерсона зазвичай описується мовою стаціонарних станів, тобто станів, що не залежать від часу. Коли фізики спробували теоретично дослідити динаміку хвиль в таких умовах, вони з'ясували, що при цьому може виникнути ефект квантового бумеранга. Суть ефекту в тому, що, якщо в системі з симетрією щодо інверсії часу надати хвильовому пакету деякий імпульс, то незабаром він повернеться у вихідний стан. Донедавна квантовий бумеранг залишався лише теоретичною концепцією.

Група фізиків з Бразилії, США і Франції під керівництвом Девіда Велда (David Weld) з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі повідомили про перше експериментальне спостереження ефекту квантового бумеранга в бозе-ейнштейновському конденсаті. Вчені впливали на атомну хмару послідовністю оптичних решіток, емулюючи частинку, що знаходиться в квазіодномірних хаотичних умовах, і спостерігали за тим, як її стан за рахунок локалізації Андерсона в імпульсному просторі повертається у вихідний після поштовху.

Дослідження з теорії хаосу часто спираються на найпростішу модель ротатора, схильного до періодичних поштовхів. Ця модель описує частинку, що бігає по кільцю, або обертається стрижень, на які періодично впливає коротка за тривалістю (в ідеалі з залежністю від часу у вигляді дельта-функції) сила фіксованого напрямку. За винятком ряду приватних випадків динаміка такого ротатора стає складною, а залежність впливу від координати - випадковою величиною. З цієї причини квантова версія ротатора, схильного до поштовхів, стала відправною точкою для дослідження ефекту квантового бумеранга.

Для відтворення квантового ротатора в експерименті, фізики вибрали як платформу конденсат Бозе - Ейнштейна, що складається з 100 тисяч атомів літію, локалізованих в мінімумах оптичної решітки з довжиною хвилі 532 нанометра. Протокол полягав у різкому вимкненні цієї решітки і періодичному і короткому наведенні аналогічної решітки, але зміщеної в просторі на чверть періоду. Це дозволило емулювати штовханий квантовий ротатор, оскільки гамільтоніан атома періодично залежав від координати і збігався з таким для моделі ротатора.

Автори повторювали протокол, з кожним разом збільшуючи число поштовхів, і вимірювали середній імпульс атомів за часом їх вільного прольоту після вимикання лазера. У результаті вони побачили, що перший час конденсат набуває значного імпульсу, але наступні поштовхи поступово повертають його в стан спокою. Побачена поведінка виявилася в хорошій згоді з чисельними симуляціями.

Фізики також переконалися, що ефект квантового бумеранга зникає, якщо в системі зникає симетрія щодо відображення і щодо інверсії часу. Для перевірки першого вони потрібним чином створювали несиметричний початковий стан конденсату, для перевірки другого - випадково порушували періодичність поштовхів. В обох випадках середній імпульс не прагнув до нуля зі зростанням кількості поштовхів.

Теорія квантового хаосу дозволяє поглянути на відомі процеси під новими кутами. Так, наприклад, виявилося, що хаотичні квантові системи неможливо охолодити до абсолютного нуля.