Конденсат Бозе - Ейнштейна схлопнувся в присутності фермі-газу

Вчені досліджували поведінку системи, в якій між атомами одного типу існує взаємодія, що забезпечується іншим типом атомів. В даному випадку атоми першого сорту перебували в стані конденсату Бозе - Ейнштейна, а другого - у вигляді виродженого фермі-газу. Виявилося, що взаємодія двох хмар призводить до появи нової динаміки. Зокрема, конденсат опинився в додатковому потенціалі, а певне співвідношення взаємодій призвело до його схлопування в окремі згустки. Результати опубліковані в журналі.

З точки зору сучасної теоретичної фізики будь-яка взаємодія забезпечується за рахунок обміну реальними або віртуальними частинками з особливої групи. До Стандартної моделі входять кілька типів частинок-переносників взаємодій: фотон, глюон, Z- і W-бозони. Перший відповідає за електромагнетизм, другий - за сильну взаємодію, решта - за слабку взаємодію. Гравітація теоретично повинна допускати опис через обмін віртуальними гравітонами, але відповідна концепція квантової гравітації ще не встановлена.

Цю ідею опосередкованого впливу легко проілюструвати прикладом з класичної фізики. Якщо один човен покоїться, а повз нього пропливе судно, то створювані ним хвилі приведуть човен у рух. Аналогічно відбуваються події і в світі елементарних частинок, тільки в багатьох випадках об'єкти обмінюються не реальними частинками, а віртуальними, які існують лише короткий час, щоб не порушувати закон збереження енергії.

Властивості частинок-переносників визначають властивості самої взаємодії і пов'язані з ним феномени. Так, відсутність маси у фотона робить електромагнетизм далекодіючою силою, а кінцеві маси Z- і W-бозонів обмежують відстані, на якій слабка взаємодія може впливати, внутрішністю атомних ядер. Іншим прикладом є надпровідність, ключову роль в якій відіграють куперівські пари електронів, які утворюють за рахунок обміну квантами коливань кристалічної решітки - фононами.

Всі відомі частинки-переносники є бозонами, тобто володіють цілим спином. Всупереч цьому правилу, в роботі Брайана де Сальво (Brian DeSalvo) і його колег з Чиказького університету описується інша ситуація, в якій взаємодія між атомами цезію-133 залежить від навколишніх атомів літію-6, які відносяться до ферміонів, тобто частинок з напівцілим спином. Вчені поки не можуть реалізувати сильної взаємодії в такому випадку, тому для його спостереження доводиться охолоджувати речовину до переходу в квантовий стан. Атоми цезію-133 у такому разі стають конденсатом Бозе - Ейнштейна, оскільки вони є складовими бозонами (сумарний спин усіх протонів, нейтронів і електронів є цілим числом), а літій-6 перетворюється на вироджений фермі-газ.

Пряма взаємодія між атомами цезію в такій системі існує і призводить до слабкого відштовхування. Безпосередньої взаємодії між атомами літію немає, оскільки через справедливий для ферміонів принцип заборони Паулі такі частинки не можуть займати однакові квантові статки. З цієї ж причини хмара атомів літію виявлялася набагато протяжніше хмари атомів цезію. У той же час, взаємодія між цезієм і литтям може бути як відштовхуючим, так і притягуючим, залежно від обраних параметрів. Фізики показали, що подібна суміш квантових станів призводить до появи нових феноменів.

В одному експерименті фізики збуджували періодичні коливання в хмарах атомів, що знаходяться у зовнішньому електромагнітному потенціалі пастки. Виявилося, що присутність літію змінювала характерну для атомів цезію частоту. Причина цієї зміни полягала в тому, що в міру зміщення атоми цезію потрапляли в область з іншою концентрацією літію, тобто вони фактичних перебували одночасно в двох потенціалах: до потенціалу пастки додавався пов'язаний з розподілом щільності літію потенціал.

В рамках іншого експерименту вчені налаштували співвідношення взаємодій так, що між атомами цезію було невелике відштовхування, яке було злегка слабкіше тяжіння за рахунок взаємодії з атомами літію. Сумарно виходило тяжіння, яке призводило до колапсу конденсату Бозе - Ейнштейна, так як складовим його бозонам ніщо не забороняє займати однакові квантові стани. В результаті одна хмара розділялася на кілька менших згустків, які називаються послідовністю солітонів Бозе - Фермі.

Подібні дослідження відкривають можливість вивчення нових станів матерії та уточнення теоретичних моделей існуючих. Зокрема, другий експеримент приблизно відповідає взаємодії Рудермана - Кіттеля - Касуя - Йосиди (РККІ-обмінна взаємодія), яке описує вплив магнітних іонів у металах і напівпровідниках за допомогою обміну електронами. Цей випадок також відноситься до рідкісного типу, коли ферміони (електрони) виступають в ролі частинок-переносників взаємодії. РККІ-обмінна взаємодія відповідальна за багато магнітних властивостей рідкоземельних елементів, в яких сукупність електронів провідності з високою точністю відповідає виродженому фермі-газу. Зокрема, з цим пов'язаний ефект гігантського магнетосопротивлення - основу функціонування жорстких дисків. Також для подібних гібридних квантових систем передбачається виникнення інших екзотичних магнітних фаз.

Отримання конденсату Бозе - Ейнштейна відкрило нову епоху в вивченні квантових явищ, дослідження в цій галузі дуже активні. Нещодавно ми писали про іншу роботу цього ж колективу вчених, яким вдалося зловити ферміони в пастку за допомогою бозі-конденсату. В іншому дослідженні вчені за допомогою цього незвичайного стану матерії отримали надплинність при кімнатній температурі.