Фізики близькі до створення закручених хвиль матерії

За допомогою оригінальної методики під назвою  пастка з намальованим потенціалом» автори недавнього дослідження змогли отримати бозе- ейнштейнівський конденсат з чистим квантовим обертальним станом. Тим самим ідея закручених хвиль, яка вже працює для фотонів і електронів, була успішно перенесена і на когерентні хвилі матерії.

Два місяці тому “Елементи” розповідали про недавні досягнення в отриманні « закручених » станів фотонів і електронів, см. оглядову статтю і новина. Прогрес у цій області йде вперед, і за минулий час з’явилися нові помітні роботи, що стосуються закрученого рентгена, закручених електронів і їх застосування до дослідження магнітних властивостей речовини, і навіть були теоретично вивчені закручені стану атомів. Однак одна робота стоїть осібно. У статті Creation of matter wave Bessel beams, що з’явилася в архіві е – принтів тиждень тому, повідомляється про експериментальне отриманні закручених хвиль матерії – бозе- ейнштейнівського конденсату, який не просто летить у просторі, а й обертається при цьому навколо напрямку руху. Такий об’єкт був отриманий у квантових інституті Лос – Аламоської національної лабораторії ( США ) за допомогою розробленої там же методики з оригінальною назвою : пастка з « намальованим потенціалом» ( painted potential ). Але – про все по порядку.

Закручені хвилі
Приклади маніпуляції з бозе- конденсатом в пастці з мінливим у часі « намальованим потенціалом» . Вгорі : дві потенційні ями , що крутяться по спіральній траєкторії ; внизу : перетворення кільцевого потенціалу в набір з п’яти ям і назад.

Конденсат Бозе-Ейнштейна і когерентні хвилі речовини
Квантова механіка керує поведінкою не тільки окремих елементарних частинок, але і речовини в цілому. Правда, в звичайних умовах на ці квантові закони накладається хаотичне тепловий рух атомів, і тому речовина веде себе « класично», тобто неквантовой чином. Однак при досить сильному охолодженні мезоскопических і навіть макроскопічні зразки можуть переходити в квантовий стан, в якому величезна кількість частинок рухається синхронно, що сильно змінює поведінку речовини. Такі надпровідники, надплинні рідини, а також конденсат Бозе- Ейнштейна – сверххолодное розріджений хмарка газу; їх з повним правом називають гарним словом когерентні хвилі речовини.

Конденсат Бозе- Ейнштейна – це дуже визначна стан речовини. Він дозволяє вивчати макроскопічні квантові ефекти в дуже чистому вигляді, і до того ж з налаштованим вручну взаємодією. Нобелівські премії з фізики за 1997-й і 2001 роки були присуджені якраз за отримання і піонерські експерименти з бозе- конденсатами. Завдяки своїй чутливості до зовнішніх умов, бозе- конденсати і квантові властивості матерії взагалі знайдуть і практичні застосування. Є навіть бажання створити так званий « атомний лазер » – пристрій, який за аналогією зі звичайним, оптичним лазером випускало б бозе- конденсат у вигляді протяжного «променя» речовини в квантовому стані.

Приклад бозе
Схема експериментів з бозе- ейнштейнівська конденсатами : ( а) в пастці утримується хмарка газу і перетворюється на бозе- конденсат , (б) на нього можна впливати зовнішніми полями або лазерним променем , ( в) можна , наприклад , розділити його на дві частини так , щоб одна з них вже не трималася в пастці , (г) падаючи вниз і розширюючись , конденсат утворює когерентний потік квантової матерії – атомний лазер.

Загальний метод одержання бозе- конденсатів, коротенько. У спеціальний пристрій ( магнітну або магніто – оптичну пастку для атомів) запускається холодне і розріджений хмарка газу. У пастці створена потенційна яма, з якої атоми газу з їх маленькими швидкостями вибратися не можуть, і тому їх там можна тримати без контакту зі стінками як завгодно довго. Газ цей, як правило, одноатомний і керований магнітним полем ( наприклад, рубідій в певному стані), так що він не перетворюється в рідину, а залишається розрідженим газом і при наднизьких температурах. Потім цей газ охолоджують ще глибше. Тоді окремі атоми починають відчувати один одного за рахунок квантових ефектів, і все хмарка перетворюється в єдиний бозе- конденсат. Після цього з конденсатом можна ставити різні експерименти, а потім його можна просто відпускати, вимкнувши пастку. Падаючи в полі тяжіння, він розширюється і демонструє квантові властивості; поступове його випускання якраз і дасть атомний лазер. Детальніше про ці експерименти і про атомне лазері див. статтю А. В. Горохова «Атомні конденсати і атомний лазер » у Соросівської освітньому журналі. Когерентні хвилі речовини демонструють ті ж ефекти, які зазвичай отримують з лазерним променем : інтерференцію, дифракцію, квантову заплутаність, розщеплення одного кванта ( в даному випадку – одного атома) на дві іпостасі, які йдуть зовсім різними шляхами і потім возз’єднуються в один. Тому – згадуючи тепер про закрученность – можна спробувати отримати когерентні хвилі речовини зі спіральним хвильовим фронтом. Якщо це вдасться зробити, з’явиться новий інструмент для вивчення квантових властивостей матерії.

Саме таке завдання поставила перед собою – і, з деякими застереженнями, вирішила – дослідницька група з Квантового інституту в Лос – Аламосі. Вони отримали бозе- конденсат у « віртуальній » обертається пастці і, відпустивши його у вільне падіння, виявили характерний для закручених хвиль профіль конденсату.

Посилання на основну публікацію