Ученые увидели «фейерверк», создаваемый атомами при ультранизкой температуре

Ученым, производящим исследования мира атомов и элементарных частиц, достаточно часто приходится сталкиваться с явлениями, напоминающими фейерверк. В большинстве случаев такими фейерверками цепочек распада частиц сопровождаются столкновения ядер атомов и частиц, проводимые в различных ускорителях, в том числе и в Большом Адронном Коллайдере. Однако, ученым из Чикагского университета удалось увидеть новый вид фейерверка на атомарном уровне, который является демонстрацией абсолютно новой формы поведения квантовых частиц.

© Cheng et al./University of Chicago 

«Обнаруженное нами явление является одним из видов фундаментального поведения квантовых частиц, которое ни разу не было замечено ранее» — рассказывает Ченг Чин (Cheng Chin), профессор физики, — «Это явление возникло в квантовой системе, которая, как считалось ранее, уже достаточно хорошо изучена. И наличие этого явления открывает перед нами новые возможности в области квантовых технологий».

Исследования, проводимые в лаборатории профессора Чина, направлены на изучение всего происходящего с частицами-бозонами, находящимися в определенном квантовом состоянии, называемом конденсатом Бозе-Эйнштейна. Когда такие частицы охлаждаются до температуры, близкой к температуре абсолютного нуля, облако бозонов уплотняется и все частицы переходят в одинаковое квантовое состояние, другими словами, облако частиц начинает вести себя как одна большая частица.

Исследователи «толкали» частицы конденсата при помощи магнитного поля, под воздействием которого некоторые из них покидали область облака конденсата. А яркие следы этих частиц, вылетающих из пределов диска облака конденсата, и образовывали этот миниатюрный фейерверк.

«С теоретической точки зрения мы должны были увидеть частицы, разлетающиеся в случайных направлениях» — рассказывает Логан Кларк (Logan Clark), один из исследователей, — «Однако, вместо этого, мы увидели, как тысячи связанных друг с другом бозонов покидают облако конденсата, двигаясь в одном направлении».

Такие крошечные потоки, джеты, состоящие из связанных частиц, могут обнаружиться и в других видах квантовых систем, что позволит использовать это явление в практических целях. «К примеру, если послать атом в облако конденсата в заданном направлении, он может увлечь за собой целую связку других атомов, что позволит создать на основе этого эффекта своего рода усилитель крошечных «атомных сигналов»» — рассказывает Кларк.

И в заключение следует заметить, что квантовые системы с частицами, находящимися в нестандартных состояниях за счет подводимой к системе энергии, называются термином «управляемые квантовые системы», являются одним из «горячих» направлений в исследованиях квантовых систем. Физика работы таких систем еще не до конца понятна, тем не менее, некоторые из таких необычных квантовых систем уже можно использовать прямо сейчас в различных областях науки и техники.