Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.