Греки построили ускоритель для сверхзвукового бозе-конденсата

Saurabh Pandey et al. / Nature, 2019

Греческие физики построили первый ускоритель для получения сверхзвукового бозе-конденсата, в котором время жизни конденсата совпадает со свободной ситуацией. Атомное облако в таком ускорителе движется с рекордной скоростью около 16 махов (три сантиметра в секунду) и перед распадом успевает пройти около 15 сантиметров. Статья опубликована в Nature.

Современным физикам приходится измерять очень тонкие эффекты — например, чтобы зарегистрировать гравитационные волны, нужно почувствовать смещение зеркала на расстояние порядка 10−16 метра. Это в миллиард раз меньше длины волны видимого света и примерно в десять раз меньше радиуса протона. Одни из самых точных экспериментов, чувствительных к подобным эффектам — это эксперименты по интерференции ультрахолодных атомных облаков (бозе-конденсатов), которые свободно падают в поле силы тяжести. В частности, с помощью подобных установок ученые провели самые точные измерения инерции, вращения и гравитационной постоянной.

Чтобы еще сильнее уменьшить погрешность эксперимента с ультрахолодными атомами, нужно увеличить время свободного падения, в течение которого атомы остаются когерентными. Один способ увеличить это время — как можно выше поднять «коробку» с бозе-конденсатом. В реальных экспериментах ученые сбрасывают установки с высоты в несколько десятков метров, что отвечает времени падения порядка нескольких секунд (рекордная высота составляет примерно сто метров, а время падения — чуть меньше пяти секунд). Проводить такие эксперименты дорого и неудобно. Второй способ — получить бозе-конденсат в невесомости, например, на борту метеорологической ракеты. К сожалению, такой способ еще дороже, чем способ со сбрасыванием коробки. Более того, получить первый бозе-конденсат в невесомости ученым удалось только в октябре прошлого года.

Наконец, еще один способ — компенсировать силу тяжести, удерживая атомы с помощью внешнего потенциала. Ранее физики уже создавали подобные установки — например, заставляли атомы двигаться в магнитной или оптической дипольной ловушке. Тем не менее, во всех таких ловушках стабилизация потенциала, компенсирующего силу гравитации, достигалась за счет сверхтекучести конденсата. Грубо говоря, в сверхтекучем режиме атомы не замечают неоднородности потенциала, поскольку «обтекают» их без потери энергии. Для этого конденсат должен двигаться значительно медленнее критической скорости, при которой сверхтекучесть разрушается. Поэтому атомы в таких ловушках двигались со скоростью порядка 0,1 миллиметра в секунду. В то же время некоторые эксперименты — например, гравитационные интерферометры — вынуждены работать с гораздо более быстрыми и разреженными конденсатами, поэтому для них такие ловушки не подходят.

Группа исследователей под руководством Вольфа фон Клитцинга (Wolf von Klitzing) решила эту проблему и построила миниатюрный ускоритель для бозе-конденсата, который разгонял его атомы до сверхзвуковой скорости порядка 16 махов (около трех сантиметров в секунду). В течение пяти секунд конденсат, который двигался в ускорителе, практически не отличался от покоящегося конденсата — другими словами, он не нагревался, а время его декогеренции не уменьшалось. За это время атомы успевали пройти расстояние около 15 сантиметров. Это рекордное значение для подобных установок.

Чтобы добиться таких высоких результатов, ученые заменили дипольную ловушку на более хитрый магнитный адиабатический потенциал, усредненный по времени (magnetic time-averaged adiabatic potential, TAAP). Такой потенциал создает сразу три переменных магнитных поля, работающих на разной частоте. Основную форму «волновода», по которому движутся частицы, формирует простое квадрупольное магнитное поле, а радиочастотное (частота 2,55 мегагерц) и аудиочастотное (частота 5,02 килогерц) поле его стабилизируют. В результате перепад глубины удерживающего потенциала не превышал двух нанометров на протяжении всей длины полученной кольцевой ловушки (радиусом около 0,44 миллиметра). Более мелкие неоднородности ученые измерить напрямую не могли.

Затем физики загружали в ловушку атомы бозе-конденсата и ускоряли их с помощью схемы «пиф-паф» ("bang-bang" scheme), которая исключает возбуждение колебаний центр масс конденсата. Для этого ученые резко сдвигали ловушку, одновременно включая слабое горизонтальное магнитное поле, которое равномерно ускоряло атомы. Как только атомы разгонялись до нужной скорости, исследователи резко выключали ускорение, возвращали ловушку в исходное положение и корректировали потенциал с учетом смещения атомов. В результате атомное облако оказывалось на дне удерживающего потенциала и продолжало двигаться по нему с постоянной скоростью. Максимальный угловой момент, до которого ученым удавалось разогнать атомы, составлял примерно 44600ħ, где ħ — приведенная постоянная Планка. Это отвечает угловой скорости порядка 125 радиан в секунду.

С помощью построенной установки физики разогнали бозе-конденсат из трехсот тысяч атомов рубидия-87, охлажденный до температуры 32 нанокельвина, и проследили за его движением в течение 14 секунд. Оказалось, что время жизни теплового облака Tth ≈ 3,3 секунды (время, в течение которого число атомов конденсата снижается в e раз) и полного распада бозе-конденсата Tb ≈ 5,3 секунды совпадает с показателями свободного конденсата. Скорость нагрева конденсата (три нанокельвина в секунду) тоже совпадает для движущегося и покоящегося случая. Авторы статьи подчеркивают, что эти результаты достигались при скорости атомов порядка 16 махов, при которой любая неоднородность удерживающего потенциала быстро возбуждает поперечные колебания облака и разрушает его когерентность.

По словам ученых, их разработка пригодится для исследований одномерной физики с низкоэнергетическими возбуждениями. Проще говоря, с помощью построенного ускорителя физики смогут более подробно исследовать возбуждение уровней Ландау в квантовом эффекте Холла, изучить сверхзвуковые процессы переноса и поставить высокоточные эксперименты по столкновению частиц.

Ранее мы уже писали о возможных применениях бозе-конденсата в точных гравитационных экспериментах. Например, в ноябре 2016 года физики из Германии, США и Канады построили портативный гравиметр, в котором напряженность гравитационного поля измерялась с помощью интерференции атомов бозе-конденсата, свободно падающих в поле силы тяжести. Построенный прибор можно было спрятать в коробке от обуви, хотя его точность была всего в 10 раз меньше, чем у массивных и малоподвижных аналогов. А в апреле этого года китайские физики опубликовали план гравитационного интерферометра ZAIGA, в котором вместо лазеров используются атомы бозе-конденсатов. Если исследователям удастся получить финансирование, то интерферометр может начать работу уже в 2025 году.

Интересно, что ровно 24 года назад — пятого июня 1995 года — группа физиков под руководством Эрика Корнелла и Карла Вимана впервые получила бозе-конденсат в лаборатории. Для этого ученые охладили около двух тысяч атомов рубидия-87 до температуры 170 нанокельвин. Четыре года спустя ученые получили за это достижение Нобелевскую премию по физике.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.