Греки построили ускоритель для сверхзвукового бозе-конденсата
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
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.