Слежка за бозе-конденсатом

Физики из  Швейцарского Федерального технологического института и Кембриджского университета впервые отследили процесс постепенного распада бозе-эйнштейновского конденсата.

Физики из Института квантовой электроники Швейцарского Федерального технологического института и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета впервые отследили процесс постепенного распада бозе-эйнштейновского конденсата. Детали этого эксперимента изложены в статье Михеля Коля (Michael Kohl) и его коллег, опубликованной в журнале Science.

Бозе-эйнштейновский конденсат, который зачастую называют просто бозе-конденсатом, - это чисто квантовое состояние системы частиц с целым спином (бозонов), возможное только при чрезвычайно низких температурах. Такие системы при охлаждении ниже определенного порога, именуемого критической температурой или температурой вырождения, претерпевают фазовый переход, в результате которого частицы начинают накапливаться в состоянии с нулевым импульсом и нулевой энергией. При дальнейшем понижении температуры доля таких частиц возрастает и при приближении к абсолютному нулю стремится к ста процентам. Частицы бозе-конденсата находятся в одном и том же квантовом состоянии, благодаря чему они теряют индивидуальность и фактически ведут себя как единая квантовая "суперчастица".

Теоретическая возможность существования конденсата была предсказана Альбертом Эйнштейном еще в 1925 году, однако получить его в эксперименте удалось лишь через семьдесят лет. Дело в том, что наилучшими кандидатами для перехода в конденсированное состояние являются сильно разреженные бозонные газы, которые обычно успевают затвердеть еще до достижения критической температуры. Для получения бозе-конденсата газ надо подвести к абсолютному нулю и в то же время предотвратить его кристаллизацию, что является очень непростой задачей. Первый в мире настоящий бозе-конденсат был создан в июне 1995 года группой сотрудников американского Объединенного института лабораторной астрофизики. Экспериментаторы сначала заперли и охладили в магнитной ловушке две тысячи атомов рубидия-87, а затем погасили их импульсы с помощью тормозящего лазерного излучения. Таким путем удалось снизить температуру атомного облачка примерно до 150 нанокельвинов (миллиардных долей градуса по абсолютной шкале), чего достаточно для образования бозе-конденсата.

Охлаждаемый газ не переходит в конденсированное состояние сразу по всему объему. Вычисления показывают, что чуть выше температуры вырождения в нем начинают рождаться и исчезать "пузыри" конденсатной фазы. При дальнейшем охлаждении размеры пузырей растут, а при температуре вырождения они сливаются воедино, образуя стабильный конденсат. При увеличении температуры эти явления должны происходить в обратном порядке, приводя к постепенному исчезновению все более и более мелких очагов конденсата. В теории эти процессы хорошо известны, однако до сих пор никому не удавалось наблюдать их на опыте.

Теперь эта проблема разрешена. Ученые из группы Коля перевели в конденсат четыре миллиона атомов все того же рубидия. Затем они позволили температуре сконденсировавшегося газа повышаться, причем очень медленно, всего на четыре нанокельвина в секунду. Для отслеживания перехода газа из конденсированного состояния в нормальное ученые отключили запирающее магнитное поле в двух небольших областях внутри камеры, где парило газовое облачко. Поскольку находящиеся в пределах этих участков частицы уже ничем не удерживались, они под действием силы тяжести падали в детектор, способный регистрировать единичные атомы.

Показания этого прибора и позволили проверить "пузырную" модель разрушения конденсата. Если внутри детектора встречались потоки атомов, одновременно пришедшие из двух конденсатных пузырей и потому находящиеся в одном и том же квантовом состоянии, они интерферировали подобно волнам. Интерференция могла увеличивать амплитуду их волновой функции, но могла также снижать ее до нуля, и в этом случае детектор вообще не замечал никаких частиц. Если же в детектор попадали атомы конденсата и обычной фазы или одни только нормальные атомы, никакой интерференции не возникало, и прибор попросту подсчитывал атомы поштучно. Меняя дистанцию между зонами с отключенным магнитным полем, экспериментаторы смогли оценить размеры конденсатных пузырей при различных температурах, превышающих критическую. Оказалось, что пузыри ведут себя в соответствии с теорией: при росте температуры они уменьшались и в конце концов исчезали.

- Из журнала "Компьютерра"