Физики превратили бозе-конденсат в сверхтекучее твердое тело
Австрийские физики изготовили трехмерное сверхтекучее твердое тело из бозе-конденсата атомов эрбия, пойманных в оптическую ловушку. Образование необычного квантового состояния ученые отслеживали по спектру возбуждений, который они рассчитывали по интерференционной картине атомов и сравнивали с теоретическими предсказаниями. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В 1938 году советский физик Петр Капица обнаружил, что при температуре ниже 2,17 кельвин жидкий гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние, то есть его вязкость строго обращается в ноль. Качественно сверхтекучесть жидкости можно объяснить спонтанным нарушением непрерывной калибровочной симметрии, отдаленно напоминающим механизм Хиггса. Благодаря этому нарушению фазы волновых функций всех атомов «выпадают» в одно и то же значение, атомы становятся когерентными и превращаются в единый бозе-конденсат. Подробнее о такой интерпретации сверхтекучести можно прочитать в статье «Introduction to superfluidity» и кратком ответе на форуме Stackexchange, а про историю открытия сверхтекучести — в материале «Чашка жидкого гелия».
Еще один известный пример нарушения непрерывной симметрии — это твердое тело, атомы которого «заперты» в кристаллической решетке, инвариантной относительно трансляций на целое число векторов решетки. В июне 1969 года советские физики Алексей Андреев и Илья Лифшиц (брат широко известного Евгения Лифшица) предложили совместить обе нарушенные симметрии и теоретически предсказали состояние сверхтекучего твердого тела — материала, который одновременно обладает свойствами кристалла и сверхтекучей жидкости. Изначально ученые предполагали, что в такое состояние будет переходить твердый гелий, сжатый до давлений порядка сотни атмосфер и охлажденный до температур менее одного кельвина. Впрочем, около десяти лет назад физики показали, что на практике поведение такого гелия объясняется другими теоретическими моделями.
Тем не менее, в позапрошлом году физики все-таки получили сверхтекучее твердое тело — результаты двух исследований, впервые независимо получивших необычное квантовое состояние, были напечатаны в журнале Nature в марте 2017 года. Для этого ученые использовали бозе-конденсат холодных атомных облаков, которые гораздо удобнее в настройке, чем жидкий гелий. Первая группа под руководством Тобиаса Доннера (Tobias Donner) работала с атомами рубидия и следила за движением атомов и состоянием газа с помощью двух зеркал. Вторая группа, возглавляемая Вольфгангом Кеттерле (Wolfgang Ketterle) наблюдала за распределением углового момента атомов натрия. В обоих случаях ученым удалось разглядеть периодическую кристаллическую структуру газа и подтвердить исчезновение вязкости. Впрочем, обе работы также страдали от существенных ограничений. В частности, полученное сверхтекучее твердое тело было одномерным, а образование кристаллической структуры доказывалось только по неявным признакам.
В новой работе группа исследователей под руководством Франчески Ферлаино (Francesca Ferlaino) получила трехмерное сверхтекучее твердое тело и измерила спектр его возбуждений, который однозначно подтверждал теорию Андреева и Лифшица. На этот раз в качестве основы для необычного квантового состояния физики выбрали газ, состоящий из пятидесяти тысяч атомов эрбия-166, и поймали его в вытянутую оптическую ловушку. Затем ученые подавали на систему импульсы, которые резко сжимали газ, заставляли атомы интерферировать между собой, записывали полученную интерференционную картину и извлекали из нее спектр возбуждений газа.
Впрочем, сначала ученые теоретически смоделировали происходящие процессы и рассчитали ожидаемый спектр возбуждений. Для этого физики численно решили уравнения Боголюбова — де Женна с учетом нелинейностей, дальнего диполь-дипольного взаимодействия и квантовых флуктуаций. В результате исследователи получили дискретный набор мод, описывающий колебания плотности газа, и динамический структурный фактор, который определяет отклик системы на внешнее воздействие. В зависимости от характерной длины взаимодействия, которую регулировало внешнее магнитное поле, ученые разглядели три состояния конденсата. При минимальной длине взаимодействия ученые увидели стандартную ветвь спектра, которая отвечала квазичастицам, возникающим в сверхтекучей жидкости (фононам и ротонам). При максимальной длине ученые зарегистрировали возбужения, которые описывают туннелирование атомов между соседними узлами кристаллической решетки. Наконец, в промежуточном режиме обе ветви совмещались, что указывало на переход в состояние сверхтекучего твердого тела.
Затем ученые воспроизвели результаты теоретических расчетов на практике. По словам исследователей, интерференционные картины, которые наблюдались в теории и эксперименте, практически совпадали, что указывало на одинаковую картину возбуждений газа. Анализируя эти картины, физики рассчитали энергию мод и подтвердили, что конденсат переходит в состояние сверхтекучего твердого тела.
Поскольку с бозе-конденсатами холодных атомных газов, пойманных в оптическую ловушку, очень удобно работать, физики часто моделируют с их помощью сложные явления. Например, в августе 2016 года израильский физик превратил бозе-конденсат в «глухую» черную дыру — акустический аналог черной дыры — а недавно повторил этот эксперимент и подтвердил тепловую природу излучения Хокинга. В апреле 2018 исследователи из университета Мэриленда с помощью бозе-конденсата смоделировали инфляционное расширение Вселенной. А в октябре того же года физики из Нидерландов впервые получили «пространственно-временной кристалл» в бозе-конденсате холодных атомов натрия, пойманных в оптическую ловушку.
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.