Физики нашли новый способ навязать бозонам фермионное поведение
Американские физики экспериментально подтвердили процесс динамической фермионизации одномерного бозонного газа. Заставив решетку ультахолодных бозонов расширяться в одном направлении, ученые пронаблюдали изменение импульсного распределения от бозонного вида к фермионному. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Все частицы можно разделить на два лагеря: бозоны и фермионы. Критерий такого деления — значение спина, квантового числа, характеризующего собственный момент импульса частицы. Если спин вашей частицы определяется целым числом — перед вами бозон, а если полуцелым — фермион. В подавляющем большинстве случаев бозоны и фермионы ведут себя прямо противоположным образом. Подчиняясь принципу Паули, два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Для описания большого количества тождественных фермионов применяют статистику Ферми—Дирака. Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, которая допускает нахождение неограниченного количества тождественных частиц в одном квантовом состоянии. При низких температурах газ бозонов становится конденсатом Бозе—Эйнштейна, а фермионный газ — ферми-жидкостью.
В 2004 году физики показали, что если с помощью оптических ловушек заставить холодные бозоны двигаться только вдоль одной линии, они будут обладать свойствами фермионов. Законы физики все еще не запрещают бозонам находиться в одном квантовом состоянии, однако взаимодействия между ними делают этот процесс энергетически невыгодным. В итоге бозоны занимают разные квантовые состояния, а одномерное пространственное распределение бозонов выглядит как распределение невзаимодействующих фермионов, такой процесс физики называют фермионизацией. Работа 2004 года ограничена изучением фермионизации в равновесном состоянии.
Группа ученых под руководством Джошуа Уилсона (Joshua M. Wilson) из Университета штата Пенсильвания изучила процесс динамической фермионизации бозонного газа из охлажденных атомов рубидия. Ее еще в 2005 году теоретически предсказал один из авторов исследования, Маркос Ригол (Marcos Rigol). Он показал, что расширение решетки бозонов в одном направлении формирует распределение по скоростям, аналогичное фермионному. Для подтверждения гипотезы Ригола, ученые сформировали массив ультрахолодных атомов рубидия с помощью оптической решетки, получив одномерные цепочки атомов с пренебрежимо малым туннелированием между ними. В таком равновесном состоянии волновая функция бозонов с точностью до постоянных повторяет фермионную волновую функцию. Энергия и пространственное распределение двух газов также аналогичны. А вот распределение скоростей остается различным.
При отключении одной из составляющих оптической ловушки, бозоны начинают одномерное расширение. При помощи метода пролета (TOF) физики получили импульсное распределение бозонов, которое согласно теоретическим предсказаниям плавно переходит в фермионное.
Ученые уверены: понимание процессов, происходящих в одномерных газах поможет установить универсальные принципы динамических квантовых систем. «Теперь у нас есть доступ к таким экспериментальным возможностям, что если бы вы спросили любого теоретика, работающего в этой области десять лет назад "увидим ли мы это при нашей жизни?", они бы ответил: "ни за что"», — говорит Маркос Ригол.
Более подробно прочитать о квантовых газах при низких температурах вы можете здесь.
Олег Макаров
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.