Конденсат Бозе — Эйнштейна схлопнулся в присутствии ферми-газа

Ученые исследовали поведение системы, в которой между атомами одного типа существует взаимодействие, обеспечиваемое другим типом атомов. В данном случае атомы первого сорта находились в состоянии конденсата Бозе — Эйнштейна, а второго — в виде вырожденного ферми-газа. Оказалось, что взаимодействие двух облаков приводит к появлению новой динамики. В частности, конденсат оказался в дополнительном потенциале, а определенное соотношение взаимодействий привело к его схлопыванию в отдельные сгустки. Результаты опубликованы в журнале Nature.

С точки зрения современной теоретической физики любое взаимодействие обеспечивается за счет обмена реальными или виртуальными частицами из особой группы. В Стандартную модель входят несколько типов частиц-переносчиков взаимодействий: фотон, глюон, Z- и W-бозоны. Первый отвечает за электромагнетизм, второй — за сильное взаимодействие, остальные — за слабое взаимодействие. Гравитация теоретически должна допускать описание через обмен виртуальными гравитонами, но соответствующая концепция квантовой гравитации еще не установлена.

Эту идею опосредованного влияния легко проиллюстрировать примером из классической физики. Если одна лодка покоится, а мимо нее проплывет судно, то создаваемые им волны приведут лодку в движение. Аналогично происходят события и в мире элементарных частиц, только во многих случаях объекты обмениваются не реальными частицами, а виртуальными, которые существуют лишь короткое время, чтобы не нарушать закон сохранения энергии.

Свойства частиц-переносчиков определяют свойства самого взаимодействия и связанные с ним феномены. Так, отсутствие массы у фотона делает электромагнетизм дальнодействующей силой, а конечные массы Z- и W-бозонов ограничивают расстояния, на котором слабое взаимодействие может оказывать влияние, внутренностью атомных ядер. Другим примером является сверхпроводимость, ключевую роль в которой играют куперовские пары электронов, которые образуют за счет обмена квантами колебаний кристаллической решетки — фононами.

Все известные частицы-переносчики являются бозонами, то есть обладают целым спином. Вопреки этому правилу, в работе Брайана де Сальво (Brian DeSalvo) и его коллег из Чикагского университета описывается иная ситуация, в которой взаимодействие между атомами цезия-133 зависит от окружающих атомов лития-6, которые относятся к фермионам, то есть частицам с полуцелым спином. Ученые пока не могут реализовать сильного взаимодействия в таком случае, поэтому для его наблюдения приходится охлаждать вещество до перехода в квантовое состояние. Атомы цезия-133 в таком случае становятся конденсатом Бозе — Эйнштейна, так как они являются составными бозонами (суммарный спин всех протонов, нейтронов и электронов является целым числом), а литий-6 превращается в вырожденный ферми-газ.

Прямое взаимодействие между атомами цезия в такой системе существует и приводит к слабому отталкиванию. Непосредственное взаимодействие между атомами лития отсутствует, так как из-за справедливого для фермионов принципа запрета Паули такие частицы не могут занимать одинаковые квантовые состояния. По этой же причине облако атомов лития оказывалось гораздо протяженнее облака атомов цезия. В то же время, взаимодействие между цезием и литием может быть как отталкивающим, так и притягивающим, в зависимости от выбранных параметров. Физики показали, что подобная смесь квантовых состояний приводит к появлению новых феноменов.

В одном эксперименте физики возбуждали периодические колебания в облаках атомов, находящихся во внешнем электромагнитном потенциале ловушки. Оказалось, что присутствие лития меняло характерную для атомов цезия частоту. Причина этого изменения заключалось в том, что по мере смещения атомы цезия попадали в область с иной концентрацией лития, то есть они фактических находились одновременно в двух потенциалах: к потенциалу ловушки добавлялся связанный с распределением плотности лития потенциал.

В рамках другого эксперимента ученые настроили соотношение взаимодействий так, что между атомами цезия было небольшое отталкивание, которое было слегка слабее притяжения за счет взаимодействия с атомами лития. Суммарно получалось притяжение, которое приводило к коллапсу конденсата Бозе — Эйнштейна, так как составляющим его бозонам ничто не запрещает занимать одинаковые квантовые состояния. В результате одно облако разделялось на несколько меньших сгустков, которые называются последовательностью солитонов Бозе — Ферми.

Подобные исследования открывают возможность изучения новых состояний материи и уточнения теоретических моделей существующих. В частности, второй эксперимент примерно соответствует взаимодействию Рудермана — Киттеля — Касуя — Иосиды (РККИ-обменное взаимодействие), которое описывает воздействие магнитных ионов в металлах и полупроводниках посредством обменом электронами. Этот случай также относится к редкому типу, когда фермионы (электроны) выступают в роли частиц-переносчиков взаимодействия. РККИ-обменное взаимодействие ответственно за многие магнитные свойства редкоземельных элементов, в которых совокупность электронов проводимости с высокой точностью соответствует вырожденному ферми-газу. В частности, с этим связан эффект гигантского магнетосопротивления — основу функционирования жестких дисков. Также для подобных гибридных квантовых систем предсказывается возникновение других экзотических магнитных фаз.

Получение конденсата Бозе — Эйнштейна открыло новую эпоху в изучении квантовых явлений, исследования в этой области очень активны. Недавно мы писали о другой работе этого же коллектива ученых, которым удалось поймать фермионы в ловушку при помощи бозе-конденсата. В другом исследовании ученые при помощи этого необычного состояния материи получили сверхтекучесть при комнатной температуре.