Бозе-конденсат поймал фермионы в ловушку
Атомы лития-6 можно поймать в ловушку из бозе-конденсата атомов цезия-133, если наложить на систему внешнее магнитное поле и заставить атомы взаимодействовать. При этом получившаяся система остается стабильной даже тогда, когда наивная теория предсказывает ее разрушение. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
В холодных атомных газах возникает много интересных эффектов. Например, в них могут образоваться гетероядерные молекулы или поляроны — квазичастицы, которые состоят из электрона и окружающего его облака фононов. Особенно интересны смеси частиц с разными свойствами, например, бозонов и фермионов. С помощью таких систем можно моделировать сверхпроводимость или создавать необычные состояния вещества.
Обычно в подобных смесях масса частиц полагается одинаковой (или очень близкой). Но что будет, если какие-то из них будут весить существенно меньше? Физики из университета Чикаго ответили на этот вопрос, рассмотрев холодную смесь атомов 6Li (которые являются фермионами) и 133Cs (бозоны), массы которых отличаются более чем в двадцать раз.
Для этого ученые приготовили атомы лития и цезия, поместив их в оптические ловушки и предварительно охладив с помощью лазера. Число частиц в обоих случаях примерно равнялось двум миллионам, при этом изначально атомы лития и цезия не взаимодействовали друг с другом. Затем ученые включили магнитное поле, и газы начали активно испаряться и охлаждаться. Этот процесс исследователи поддерживали в течение десяти секунд, пока оба образца не охладились до температуры около трехсот нанокельвинов. После этого физики включили взаимодействие между образцами, еще раз наложив на них магнитное поле (около резонанса Фешбаха), и убедились в том, то образцы действительно перешли в состояние бозе-конденсата и вырожденного ферми-газа.
Наконец, исследователи показали, что часть атомов лития оказалась пойманной в ловушку внутри бозе-конденсата. Для этого они снова ненадолго включили магнитное поле. На этот раз его величина была подобрана таким образом, чтобы «приподнять» облако атомов лития, но не тронуть более тяжелые атомы цезия, качественно это можно изобразить с помощью изменения формы потенциала (смотри рисунок а). При этом бóльшая часть облака действительно сдвинулась, однако часть атомов лития, находящихся внутри бозе-конденсата, осталась на месте.
При дальнейшем увеличении напряженности поля число пойманных частиц уменьшалось, но в целом конфигурация оставалась стабильной. Это было неожиданно, поскольку теория предсказывала, что смеси бозонов и фермионов неизбежно коллапсируют, когда «растаскивающее» поле превышает определенный предел.
Расхождение физики предложили объяснить охлаждением конденсата, возникающим из-за столкновения частиц. При больших значениях магнитного поля число столкновений увеличивается, и охлаждение преобладает над нагреванием, не давая полю раскачать атомы лития и вытащить их из ловушки.
В прошлом месяце мы писали о неожиданно красивом явлении, которое возникает в бозе-конденсате атомов цезия, удерживаемых с помощью лазера в дискообразной ловушке: при воздействии переменного магнитного поле из диска выбрасывались потоки частиц, напоминающие взрыв фейерверка.
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.