Австралийские физики впервые измерили поведение контактного параметра фермионов вблизи критической точки — оказалось, что при переходе газа атомов лития-6 в сверхтекучее состояние этот параметр резко вырастает на 15 процентов. Этот результат подтверждает теорию Латтинжера — Уорда и исключает некоторые другие теории. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Чем сильнее вы охлаждаете газ, тем сильнее проявляются его квантовые свойства. Если частицы газа подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, они собираются в одном квантовом состоянии и образуют бозе-конденсат; если же частицы являются фермионами, из-за принципа запрета Паули между ними возникает сила эффективного отталкивания. Качественное объяснение такого поведения можно найти в материале «Квантовые газы при низких температурах». Однако в некоторых случаях эта стройная картина разрушается из-за взаимодействия между частицами. Наверное, самый известный пример такого взаимодействия, — взаимодействие электронов и фононов, в результате которого фермионы объединяются в куперовские пары, образуют бозе-конденсат и превращают материал в сверхпроводник. Аналогичные процессы также происходят в жидком гелии-3, который может переходить в сверхтекучее состояние, хотя его частицы подчиняются статистике Ферми.
К сожалению, физики до сих пор не до конца понимают, как связывание частиц в пары сказывается на свойствах физических систем. Конечно, теории сверхпроводимости и сверхтекучести фермионов давно построены и хорошо работают вдали от критической температуры (то есть температуры, ниже которой происходит конденсация фермионных пар). Однако мнения физиков расходится, когда они пытаются описать поведение системы вблизи критической температуры. В частности, сразу несколько теоретических моделей вблизи этой температуры предсказывают [1,2,3] разное значение контактного параметра C, определяющего вероятность, с которой два фермиона находятся поблизости друг от друга. Проблему усугубляет отсутствие экспериментов, в которых измерялось бы поведение этого параметра при фазовом переходе.
Группа физиков под руководством Криса Вейла (Chris Vale) наконец поставила такой эксперимент. В качестве системы фермионов ученые выбрали облако из нескольких сотен тысяч атомов лития-6, которые находились в одном из двух квантовых состояний с наименьшей энергией. Для удерживания облака физики использовали магнитно-оптическую ловушку. Затем ученые накладывали на систему внешнее магнитное поле, которое заставляет атомный газ «испаряться»: из-за градиента магнитного поля самые быстрые (то есть самые «горячие») атомы покидают ловушку, а самые медленные («холодные») — остаются. Подбирая напряженность поля и выключая его в заданный момент времени, ученые контролировали размер и — самое главное — температуру конечного облака.
Чтобы измерить зависимость контактного параметра от температуры, исследователи воспользовались брэгговской спектроскопией. Другими словами, физики фокусировали в центре облака (в этой области газ был практически однородным) два мощных лазерных луча, а затем измеряли отклик облика. По частоте и амплитуде его излучения ученые восстанавливали корреляционную функцию плотностей фермионов в разных точках, которая однозначно связана с динамическим структурным фактором. Наконец, используя операторное разложение (OPE) ученые связывали высокочастотное поведение структурного фактора с контактным параметром C.
В результате физики установили следующие закономерности в поведении контактного параметра. В сверхтекучей фазе (ниже критической температуры) C ≈ 3. При прохождении через критическую точку этот параметр практически мгновенно падает на 15 процентов (до C = 2,5), а затем продолжает оставаться практически на постоянном уровне, медленно снижаясь вплоть до температуры Ферми. По словам ученых, это поведение совпадает с теоретическими предсказаниями, основанными на самосогласованной теории Латтинжера — Уорда, и исключает некоторые другие теории.
Стоит отметить, что одновременно с работой группы Вейла в Physical Review Letters была опубликована еще одна статья (препринт), посвященная измерению контактного параметра в газе атомов лития-6. В этой статье группа физиков под руководством Мартина Цвирляйна (Martin Zwierlein) добивалась однородности газа, помещая его в прямоугольный потенциал, а в остальном работа ученых практически в точности совпадает с работой группы Вейла. Результаты ученых также совпадают в пределах погрешности; также совпадают выводы обеих групп. Еще более удивительно, что статьи вышли одновременно не только в рецензируемом журнале, но и на архиве препринтов: группа Вейла выложила препринт 21 февраля, а группа Цвирляйна — 22 февраля.
В феврале этого года мы писали про еще один интересный эффект, связанный с сильным взаимодействием между нуклонами (которые, очевидно, тоже относятся к фермионам). Тогда группа CLAS показала, что объединение нуклонов в пары снижает сечение глубоко-неупругого рассеяния электронов на ядре по сравнению с сечением аналогичного процесса, в котором ядро заменено набором несвязанных нуклонов. Объяснить этот эффект, которые ученые называют эффектом EMC, до этого не удавалось почти 35 лет.
Дмитрий Трунин
Кто отделил смысл сообщения от средства его передачи
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора
Технологии связи принесли человечеству множество пользы, устранив препятствия в виде расстояний и даже языкового барьера. Однако, помимо этого, они также повлияли на наше мышление, отношения с собой и окружающим миром. В книге «Суперцветение: Как технологии разрушают общество и сводят нас с ума» («Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Марией Десятовой, исследователь технологий Николас…