Физики впервые получили бозе-конденсат из смеси двух типов атомов
Австрийские физики впервые экспериментально получили конденсаты квантовых газов, одновременно состоящих из двух разных типов атомов. Для этого ученые помещали смеси изотопов эрбия и диспрозия в оптическую ловушку и охлаждали ее с помощью лазера. В результате исследователям удалось изготовить четыре бозон-бозонные смеси и одну бозон-фермионную. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Как правило, для получения бозе-конденсата из ультрахолодного атомного газа физики используют оптические ловушки. В такой ловушке бозоны зажимаются с помощью двух лазерных лучей, которые распространяются в противоположные стороны и создают стоячую электромагнитную волну. Бозоны — это частицы с целым спином, которые могут находиться в одном квантовом состоянии. Грубо говоря, атомы собираются в «ямках» этой волны — как только атом отклоняется от положения равновесия, он выходит из резонанса, рассеивает фотон и «отскакивает» обратно. Затем ученые заставляют атомные газы «испаряться»: создают градиент магнитного поля, при котором самые быстрые (то есть самые «горячие») атомы покидают ловушку, а самые медленные («холодные») — остаются. В результате температура конденсата падает — вплоть до нескольких десятков нанокельвинов, — а «чистота» квантового состояния растет. На практике этот метод впервые применили в 1995 году Эрик Корнелл (Eric Cornell) и Карл Вимен (Carl Wieman), которые получили несколько лет спустя Нобелевскую премию по физике.
В настоящее время ученые хорошо умеют получать с помощью оптических ловушек бозе-конденсаты из частиц с нулевым спином. Тем не менее, эту технику можно распространить и на другие квантовые газы, которые состоят из частиц с бо́льшими спинами и потому гораздо сильнее взаимодействуют между собой. Впервые такие газы экспериментально изготовили всего несколько лет назад из атомов эрбия (Er) и диспрозия (Dy). Оказалось, что из-за сильного диполь-дипольного взаимодействия такие газы имеют ряд особенностей, которые отличают их от «обычных» квантовых газов — например, в них деформируется поверхность Ферми, появляются квазичастицы ротоны становятся стабильными квантовые состояния капель. Еще интереснее было бы получить «смесь» из атомов разного типа, поскольку она обладает сильной анизотропией, позволяет исследовать основное состояние полярных молекул и дальние взаимодействия. К сожалению, до последнего времени физики могли исследовать такие смеси только теоретически.
Группа ученых под руководством Франчески Ферлаино (Francesca Ferlaino) впервые получила на практике смешанный конденсат из атомов эрибия и диспрозия. Точнее, ученые изготовили целых пять различных смесей, которые отличались изотопным составом компонент: смесь 162Dy-168Er, 164Dy-168Er, 162Dy-170Er, 164Dy-170Er и 161Dy-168Er. В первых четырех случаях оба типа частиц являлись бозонами, тогда как в последнем случае исследователи работали со смесью бозонов и фермионов. Принципы получения каждой из смесей мало отличались, поскольку магнитные и оптические свойства изотопов очень похожи.
В основе метода, разработанного учеными, лежала стандартная схема получения бозе-конденсата — физики охлаждали атомы с помощью лазера, ловили их в оптическую ловушку и испаряли. Главная особенность атомов эрбия и диспрозия, которая позволила ученым использовать этот метод — очень близкие значения поляризуемости α: на длине волны около 1064 нанометров отношение αDy/αEr ≈ 1,06. Поэтому оптические ловушки, которые удерживают каждый тип атомов по отдельности, имеют очень близкую частоту, и оба типа атомов можно захватить с помощью одного лазера. Тем не менее, глубины ловушек (то есть величины связывающих потенциалов) отличаются немного сильнее, и это заметно сказывается на охлаждении. В самом деле, атомы эрбия, которые связаны слабее, испаряются легче, чем атомы диспрозия, и потому к концу процесса их число уменьшается гораздо заметнее. Более того, атомы эрбия «отбирают» лишнюю энергию у атомов диспрозия и еще сильнее охлаждают их. Чтобы скомпенсировать это отличие, физики добавляли в исходную смесь примерно в десять раз больше атомов эрбия, чем атомов диспрозия. После испарения в ловушке оставалось около десяти тысяч атомов каждого типа, хотя их число сильно менялось от опыта к опыту.
Чтобы узнать, как выглядит смесь конденсатов, ученые просветили облако еще одним лучом лазера и измерили его плотность и температуру. Оказалось, что в действительности «смесь» состоит из двух отдельных облачков эрбия и диспрозия, которые отталкиваются друг от друга, причем центр масс каждого облачка немного смещен относительно его температурного центра. По словам ученых, смещение указывает на диполь-дипольное взаимодействие между атомами разного типа. Чтобы подтвердить это утверждение, исследователи «разгоняли» одно из облачков с помощью резонансного лазерного импульса и измеряли колебания центра масс оставшегося облачка. Как и ожидалось, колебания облаков эрбия и диспрозия были синхронизированы и находились в противофазе. Это подтверждает, что облачка взаимодействуют между собой.
В феврале этого года физики из США, Китая и Японии показали, что в бозе-конденсате ультрахолодных атомов, состоящем из двух компонент с сильным диполь-дипольным взаимодействием, возникают причудливые структуры, которые напоминают лягушек или грибы. Поскольку получить такой конденсат на практике ученым не удалось, они исследовали систему с помощью численного моделирования. А в июле французские ученые опытным путем обнаружили, что в бозе-конденсате атомов хрома-52, переведенных в состояния со спином S = 3, возникает новый тип коллективного возбуждения, который «перекачивает» энергию между спиновыми и пространственными степенями свободы. Теоретически, в конденсатах группы Ферлаино тоже могут возникать подобные колебания, поскольку атомы эрбия и диспрозия имеют довольно большие магнитные моменты (порядка десяти магнетонов Бора). Впрочем, ученые не стремились увидеть такие тонкие эффекты — они пытались показать хотя бы принципиальную возможность получения «квантовой смеси».
Дмитрий Трунин
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.