При воздействии на Бозе-конденсат внешнего переменного магнитного поля из конденсата выбрасываются потоки частиц, и в результате получается напоминающая взрыв фейерверка картинка. Об открытии этого красивого явления ученые из Чикагского университета сообщают в статье, опубликованной в Nature.
При температурах, близких к абсолютному нулю, частицы, принадлежащие к классу бозонов, переходят в особое агрегатное состояние, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна. В этом состоянии большая часть частиц «сваливается» в состояние с минимальной энергией, одинаковое для всех частиц (для бозонов принцип Паули, не дающий фермионам занимать одно энергетическое состояние, не работает), из-за чего квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне, как, например, сверхтекучесть жидкого гелия. Сейчас свойства бозе-конденсатов активно исследуются. Например, ученые наблюдали интерференцию между двумя расширяющимися конденсатами или появление скоррелированных пар атомов в процессах рассеяния при столкновении двух конденсатов.
В этой работе физики моделировали режим, в котором частицы бозе-конденсата испытывают частые случайные столкновения. Для этого они получали конденсат из примерно тридцати тысяч атомов цезия, удерживаемых с помощью двух лазеров в дискообразной ловушке, и накладывали на него внешнее магнитное поле около резонанса Фешбаха. Глубина ловушки была достаточной для образования конденсата, и в то же время покинувшие его атомы могли перемещаться практически свободно.
В первые несколько миллисекунд с системой ничего не происходило, однако затем из конденсата выбрасывались пучки частиц, расходящиеся радиально в плоскости диска и напоминающие взрыв фейерверка. При повторении эксперимента картина менялась случайным образом, однако угловая ширина пучков оставалась постоянной при фиксированном радиусе диска. Кроме того, каждый пучок обязательно имел пару, выброшенную в строго противоположном направлении. Подобное поведение наблюдалось в широком диапазоне частот от одного до десяти килогерц, однако при уменьшении амплитуды модулирующего поля количество выбрасываемых атомов уменьшалось, а после некоторого предельного значения практически исчезало.
Измерив кинетическую энергию частиц, физики обнаружили, что она равна половине кванта переменного магнитного поля. По словам ученых, это указывает на то, что атомы цезия выбрасываются из конденсата из-за столкновений, в которых пара частиц поглощает энергию кванта и делит ее практически поровну. С микроскопической точки зрения это похоже на столкновение двух бозе-конденсатов, при котором частицы разлетаются в противоположные стороны, сохраняя суммарный импульс и энергию.
Также ученые экспериментально рассчитали корреляционную функцию пучков, разлетающихся в различных направлениях, и сравнили ее с теоретической зависимостью. Как и ожидалось, она имеет пики при 0 и 180 градусах (что отвечает близко или противоположно направленным пучкам), однако второй пик немного ниже и шире, чем предсказывает теоретическая модель. Это отличие можно объяснить конечной разрешающей способностью изображений или тем, что небольшие количества атомов все-таки выбрасываются из плоскости.
Кроме того, физики отмечают, что ширина пучков должна быть обратно пропорциональна произведению радиуса конденсата и частоты колебаний поля из-за принципа неопределенности Гейзенберга (полный импульс обратно пропорционален радиусу, а радиальный — корню из частоты). Более точное вычисление с использованием теоретического выражения для корреляционной функции позволяет определить численный коэффициент у зависимости, который хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Ранее мы писали о том, как физики экспериментально получили Бозе-конденсат с фрактальным энергетическим спектром. А о том, какую роль Бозе-конденсация играет при образовании сверхпроводимости, вы можете прочитать в нашем материале.
Дмитрий Трунин