Главная Новости Физики предсказали, что квантовая жидкость из ультрахолодных атомов может вращаться

Американские физики заявили, что наблюдали квантовые эффекты напрямую

Мир, в котором мы живем, управляется классической физикой. Как мы двигаемся, где мы находимся и как быстро мы идем - все это определяется классическим предположением, что мы существуем только в одном месте в любой момент времени, пишет Альтернативная наука.

Но в квантовом мире поведение отдельных атомов регулируется жутким принципом, согласно которому местоположение частицы является вероятностью. Например, у атома есть определенный шанс оказаться в двух разных местах одновременно.

Когда частицы взаимодействуют, вследствие различных квантовых эффектов происходит множество странных явлений. Но наблюдение такого чисто квантово-механического поведения взаимодействующих частиц среди подавляющего шума классического мира - дело непростое.

Недавно физики Массачусетского технологического института наблюдали серию взаимодействий квантовых частиц в конкретном состоянии материи: вращающейся жидкости из ультрахолодных атомов. Исследователи предсказали, что в подобном взаимодействии они продемонстрируют экзотическое, никогда ранее не наблюдавшееся поведение.

В исследовании, опубликованном январском номере Nature, команда Массачусетского технологического института описала состояния квантовой жидкости из ультрахолодных атомов. Они наблюдали, как первоначально круглое облако частиц сначала деформировалось в тонкую, похожую на иглу, структуру. Затем, в момент, когда классические эффекты должны подавиться, игла рассыпалась кристаллическим узором, напоминающим вереницу миниатюрных торнадо.

"Эта кристаллизация обусловлена исключительно взаимодействием и говорит нам о том, что мы переходим из классического мира в квантовый", - говорит Ричард Флетчер, доцент физики Массачусетского технологического института.

Полученные результаты являются первым прямым документальным свидетельством эволюции быстро вращающегося «квантового газа».

Профессор физики Мартин Цвиерлейн поясняет, что эволюция вращающихся атомов похожа на то, как вращение Земли формирует крупномасштабные погодные условия.

"Эффект Кориолиса, объясняющий вращение Земли, похож на силу Лоренца, объясняющую поведение заряженных частиц в магнитном поле", - отмечает Цвирлейн. "Даже в классической физике это приводит к образованию интригующих узоров, например, облака оборачиваются вокруг Земли красивыми спиральными движениями. А теперь мы можем изучать это в квантовом мире".

Эффект Кориолиса - физический принцип, который вращает Землю

В 1980-х годах физики наблюдали новое семейство материи, известное как квантовые жидкости Холла, которые состоят из облаков электронов, плавающих в магнитных полях. Вместо того, чтобы отталкиваться друг от друга и образовывать кристалл, как предсказывает классическая физика, частицы корректировали свое поведение в зависимости от того, что делали их соседи, иным, квантовым способом.

"Причина была в том, что в магнитном поле электроны (классически) застывают на месте - вся их кинетическая энергия отключается, и остается только взаимодействие, - говорит Флетчер. - Так возник целый мир. Но его было очень трудно наблюдать и понять".

В частности, электроны в магнитном поле совершают очень маленькие движения, которые трудно заметить. Цвиерлейн и его коллеги решили, что, поскольку движение атомов при вращении происходит на гораздо больших масштабах, они смогут использовать холодные атомы в качестве заменителей электронов и наблюдать идентичную физику.

>

Мы подумали: "Давайте заставим эти холодные атомы вести себя так, как если бы они были электронами в магнитном поле, но чтобы мы могли точно управлять ими", - говорит Цвиерлейн. - Тогда мы сможем визуализировать, что делают отдельные атомы, и посмотрим, подчиняются ли они той же квантово-механической физике".

В своем новом исследовании физики использовали лазеры, чтобы поймать в ловушку облако из примерно 1 миллиона атомов натрия, и охладили атомы до температуры около 100 нанокельвинов. Затем они использовали систему электромагнитов и создали ловушку для удержания атомов, вращая атомы, как шарики в чаше, со скоростью около 100 оборотов в секунду.

Ученые предсказали, что квантовая жидкость может вращаться

Команда сделала снимок облака с помощью камеры, а примерно через 100 миллисекунд исследователи заметили, что атомы закрутились в длинную, похожую на иглу структуру, которая достигла критической квантовой тонкости.

"В классической жидкости она бы просто продолжала становиться тоньше, - поясняет Цвиерлейн. - Но в квантовом мире жидкость достигает предела, до которого она может быть тонкой".

"Когда мы увидели, что она достигла этого предела, у нас были все основания думать, что мы стучимся в дверь интересной квантовой физики", - добавляет Флетчер.

"Тогда встал вопрос, что будет делать эта тонкая как игла жидкость под влиянием чисто вращательных и взаимодействующих факторов?".

В своей новой работе команда сделала решающий шаг вперед, пытаясь увидеть, как будет развиваться игольчатая жидкость. По мере того, как она продолжала вращаться, физики заметили, что квантовая нестабильность начинает проявляться: игла колеблется, потом закручивается в штопор и, наконец, распадается на ряд вращающихся сгустков, или миниатюрных торнадо - квантовых кристаллов, возникающих исключительно благодаря взаимодействию вращения газа и сил между атомами.

"Эта эволюция связана с идеей о том, как бабочка в Китае может вызвать бурю здесь, благодаря турбулентности", - объясняет Цвиерляйн.

"Здесь у нас квантовая погода: жидкость, просто из-за своих квантовых неустойчивостей, фрагментируется в кристаллическую структуру из небольших облаков и вихрей. А это прорыв - наблюдать эти квантовые эффекты напрямую".