Физики подтвердили ферромагнетизм газа отталкивающихся фермионов

Физики из США и Италии подтвердили, что спины атомов ферми-газа упорядочиваются, если интенсивность отталкивания частиц превышает предел, установленный теорией ферромагнетизма Стонера. Впрочем, наряду с упорядочиванием спинов исследователи также увидели, как часть атомов связывается в «молекулы», которые плавают в «море» одиночных атомов. Чтобы разглядеть эти процессы, ученые светили на газ радиоволновой вспышкой и измеряли его отклик. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В 1933 году Эдмунд Стонер (Edmund Stoner) предложил модель, которая описывает ферромагнитные свойства переходных металлов и сплавов. Ферромагнетик — это материал, в котором магнитные моменты (спины) частиц направлены в одну сторону (более-менее). В модели Стонера коллективизированные электроны металла приближаются идеальным ферми-газом квазичастиц-электронов, отталкивающихся друг от друга. С одной стороны, электроны, спины которых направлены в одну сторону, не могут находиться в одном квантовом состоянии из-за принципа запрета Паули. Поэтому частицы вынуждены «расползаться» по энергетическим уровням, и их кинетическая энергия растет. С другой стороны, чем электроны дальше, тем меньше интенсивность их взаимодействия. Поэтому частицы, распределенные по энергетическим уровням, имеют меньшую потенциальную энергию. Если сила отталкивания достаточно велика, уменьшение потенциальной энергии перевешивает рост кинетической энергии, и электронам выгодно направить свои спины в одну сторону. В результате ферми-газ становится ферромагнетиком. Конечно, в действительности приближение идеального газа не совсем верно, а потому теория Стонера лишь в общих чертах описывает ферромагнитные свойства металлов. Тем не менее, похожие эффекты могут наблюдаться и в других системах.

Самый очевидный пример такой системы — «полноценный» ферми-газ, состоящий из холодных фермионов. Получить такой газ можно с помощью оптической ловушки — системы сфокусированных лазеров, которые удерживают фермионы в пространстве. Подробнее про оптическую ловушку можно прочитать в материале «Скальпель и пинцет». Впервые такую возможность теоретически предсказали в 2005 году Ремберт Дуйн (Rembert Duine) и Аллан Макдональд (Allan Macdonald). В своей статье ученые предложили регулировать силу отталкивания фермионов с помощью резонанса Фешбаха — резонанса между свободными атомами и связанными состояниями, возникающего во внешнем магнитном поле. Несколько лет спустя эту схему реализовали на практике, и исследователи зафиксировали отрицательную корреляцию между увеличением силы отталкивания и частотой столкновения атомов (сила больше — столкновений меньше). Казалось бы, это косвенно подтверждает, что в газе образуется ферромагнитная фаза. К сожалению, теоретики быстро заметили, что эти процессы также можно списать на образование связанных «молекул», в которых спины атомов направлены в противоположные стороны. Этот процесс не имеет ничего общего с ферромагнетизмом Стонера, однако разделить вклады этих эффектов очень сложно. Поэтому ученым до последнего времени не удавалось подтвердить упорядочивание спинов в ферми-газе, предсказанное теорией.

Группа физиков под руководством Matteo Zaccanti (Маттео Закканти) предложили новый подход, который позволяет разделить ферромагнетизм и образование «молекул», и подтвердили теорию Стонера. Для этого ученые использовали метод накачивающе-зондовой радио-спектроскопии (pump-probe spectroscopy) — светили на ферми-газ коротким радиоволновым импульсом, а затем измеряли отклик системы спустя небольшой промежуток времени. Продолжительность импульса всего в несколько раз превышала время Ферми, которое определяет минимально возможное время коллективного отклика системы. В зависимости от частоты импульса, ученые наблюдали два типа отклика. Когда частота превышала резонансную, отклик был когерентен с исходным сигналом, что указывало на отталкивание квазичастиц, возникающих в ферми-газе. По положению и ширине пика можно было определить энергию и массу квазичастиц, а также рассчитать силу их отталкивания. В противном случае сигнал был некогерентным, и его можно было записать на счет связанных «молекул». Таким образом, вклады эффектов разделялись. Все измерения ученые проводили для ферми-газа, который состоял из 200 тысяч атомов лития-6, пойманных в оптическую ловушку и охлажденных до температуры порядка 0,1 температуры Ферми. Как и в предыдущих экспериментах, исследователи контролировали силу отталкивания с помощью резонанса Фешбаха.

В результате ученые подтвердили, что корреляции между спинами атомов («населенность» фазы отталкивающихся квазичастиц) спонтанно растут со временем, если интенсивность взаимодействия превышает предел, установленный моделью Стонера. Корреляции между связанными «молекулами» также растут со временем, однако скорость их роста примерно в два раза ниже. В результате отталкивание преобладает над связыванием, и систему можно считать ферромагнетиком. Если же интенсивность взаимодействия была ниже критической, скорость роста корреляций между связанными «молекулами» оказывалась выше, чем скорость роста корреляций между спинами атомов, и ферромагнетизм не возникал. Кроме того, физики показали, что фазы не смешиваются между собой, но четко разделяются в пространстве, напоминая стеклоподобное состояние. Грубо говоря, в этом состоянии связанные «молекулы» плавают в «море» скоррелированных спинов.

Таким образом, наблюдения ученых подтверждают обе теории, которые описывали поведение газа отталкивающихся фермионов — модель ферромагнетизма Стонера и модель образования связанных «молекул». Авторы статьи подчеркивают, что для описания динамики ферми-газа важны оба этих механизма. В дальнейшем физики планируют исследовать транспортные свойства этой системы. Кроме того, исследователи надеются, что их работа поможет улучшить теорию фермионной сверхтекучести.

Помимо квантовых газов фермионов и бозонов, ученые также изучают «квантовые смеси», которые состоят из атомов разного типа. Например, в декабре 2017 года американские физики поймали атомы лития-6 (фермионы) в ловушку из конденсата атомов цезия-133 (бозоны), накладывая на систему сильное магнитное поле около резонанса Фешбаха. Интересно, что на практике эта система оставалась стабильной даже тогда, когда наивная теория предсказывала ее разрушение. А в ноябре этого года австрийские исследователи впервые экспериментально получили конденсаты квантовых газов, одновременно состоящих из двух разных типов атомов — изотопов эрбия и диспрозия. Захватывая атомы в оптическую ловушку и охлаждая их лазером, ученые изготовили четыре типа бозон-бозонных смесей и одну бозон-фермионную.

Подробно прочитать про физику ферми-газов и бозе-конденсатов можно в статье «Квантовые газы при низких температурах».

Дмитрий Трунин