Физики нашли способ обнаружить нарушение четности в молекулах
Ученые разработали метод, который позволит регистрировать эффекты нарушения пространственной четности в молекулах. Теоретические вычисления и симуляция эксперимента показали, что для таких измерений достаточно чувствительности существующих приборов. Работа опубликована в журнале Physical Review Research.
Согласно современным представлениям, три из четырех фундаментальных взаимодействий обладают пространственной симметрией — уравнения, которые описывают систему под действием соответствующих сил, не меняются при замене знаков всех пространственных координат на противоположные. Иными словами, если в первом опыте следить за отражением реальной системы в зеркале, а во втором — по-настоящему отобразить положение всех ее частей и следить за новой системой, то результаты наблюдений не будут отличаться. Такому виду симметрии соответствует закон сохранения особой величины — пространственной четности.
В то же время четвертое — слабое взаимодействие — обладает противоположным свойством: реальная отображенная система под действием слабых сил развивается не так, как это делает отражение исходной системы — то есть четность не сохраняется. Для понимания механизмов, которые лежат в основе таких явлений, необходимы экспериментальные данные — они позволяют проверять теоретические предсказания и строить новые модели. В частности, большой интерес представляют эффекты нарушения четности в молекулах — крупных (в сравнении с характерным радиусом действия слабых сил) системах, которые часто обладают сложным набором энергетических состояний. Физики уже разработали теоретическое описание подобных явлений, однако зарегистрировать нарушение четности на молекулярном уровне в эксперименте до сих пор не удалось.
Физики из Германии, США и России под руководством Джона Бланчарда (John Blanchard) из германского Центра по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца проанализировали одно из возможных проявлений нарушения четности в молекулах и предложили свой способ регистрации этого эффекта. В рассмотренном сценарии пространственная асимметрия влияет на взаимодействие между парой атомных ядер, которое вызвано взаимной ориентацией их спинов. Последние, в свою очередь, связаны с магнитными свойствами вещества — благодаря этому можно зарегистрировать искомый эффект по характерным для него изменениям магнитного поля.
Исходя из теоретических соображений, ученые определили, как меняется ориентация двух спинов под влиянием переменного электрического поля. Затем авторы провели компьютерную симуляцию для соединения 1H19F, предполагая, что в области действия такого поля находится поляризованный образец (с искусственно созданной упорядоченностью в ориентации магнитных моментов ядер) вещества.
Оказалось, что в определенном диапазоне частот внешнего поля спины ядер в образце выстраиваются так, что он начинает генерировать слабое магнитное поле. Это обусловлено сразу двумя процессами, только один из которых связан с нарушением четности. При этом компонента возникающего магнитного поля, которая соответствует механизму с нарушением четности, в сто тысяч раз слабее компоненты, вызванной другим явлением (10–16 против 10–11 Тесла). Это обстоятельство в реальном эксперименте могло бы привести к тому, что измеряемое магнитное возмущение станет незаметно на фоне побочного, однако авторы нашли способ избежать такой проблемы. Они установили, что искомый сигнал меняется с фазой колебаний электрического поля — если поменять направление последнего, то изменится и направление слабой компоненты магнитного поля, тогда как сильная компонента останется прежней. Таким образом, повторный эксперимент с противоположным направлением электрического поля позволяет эффективно отделить слабый сигнал от помех.
В результате вычислений исследователи установили, что для регистрации эффектов нарушения четности достаточно доступной сегодня чувствительности магнитометров. Необходимая продолжительность такого эксперимента составляет несколько часов — за это время уровень накопленного сигнала должен превзойти уровень шума, что позволит засвидетельствовать обнаружение эффекта. Кроме того, предложенная методика применима не только к двухатомным молекулам наподобие 1H19F — тот же подход можно использовать и для изучения более сложных соединений. Вместе с этим, авторы предупреждают, что в ходе реального опыта необходимо будет учитывать возможность появления многих систематических ошибок, которые связаны с начальной намагниченностью образца, регулировкой частоты электрического поля и выбором направления, вдоль которого измеряется магнитное поле.
На сегодняшний день физики активно занимаются поиском и других нестандартных эффектов в системах атомов. Только за последний месяц мы рассказывали о реализации еще двух подобных экспериментов: ученым удалось создать контролируемую квантовую запутанность между атомом и молекулой и провести лазерную спектроскопию короткоживущего радиоактивного соединения.
Николай Мартыненко
Роль магнитного поля сыграло туннелирование в оптической решетке
Физики впервые экспериментально сгенерировали дробные квантовые состояния Холла в двумерной системе ультрахолодных атомов. Как сообщается в Nature, в созданных состояниях удалось пронаблюдать основные свойства дробных холловских: подавление двухчастичного взаимодействия, сильные (анти)корреляции плотности и дробную величину аналога холловской проводимости. Дробный квантовый эффект Холла возникает в двумерном электронном газе в сильных магнитных полях. Одноименно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, однако не могут разлетаться прямолинейно из-за сильного магнитного поля, которое резко закручивает импульс частиц и порождает сложное коллективное движение в системе: поведение отдельных частиц не независимо, а наоборот сильно скоррелировано. В таких ситуациях вместо рассмотрения каждого электрона в отдельности изучают коллективную волновую функцию системы, выделяя основное состояние системы (низшее по энергии) и возбужденные состояния (с энергией выше основного) — квазичастицы. При этом эффективная масса или заряд последних не обязаны совпадать с характеристиками исходных частиц. Так, еще в восьмидесятых годах прошлого века было установлено, что в дробном квантовом эффекте Холла заряд собравшихся из коллективных электронных возбуждений квазичастиц оказывается дробным по отношению к заряду самих электронов. Этим можно объяснить наблюдаемую дробную холловскую проводимость: в обычной ситуации эта величина в единицах отношения квадрата заряда электрона к постоянной планка (обратный квант электрического сопротивления) равна целому числу, а в дробном эффекте Холла принимает нецелые значения. Более того, даже статистика таких квазичастиц может быть промежуточной по отношению к стандартной классификации элементарных частиц на бозоны и фермионы: состояния не обязаны быть строго симметричными или антисимметричными по отношению к перестановкам. Такие экзотические свойства делают дробные холловские состояния перспективным инструментом для квантовых вычислений. При этом вместо того чтобы создавать и контролировать сильные магнитные поля во многоэлектронных системах, физики стремятся создать аналогичные по свойствам, но легко контролируемые квантовые системы — например, из ультрахолодных атомов в оптической решетке. Тем не менее, до недавнего времени об экспериментальной реализации дробных холловских состояний в системах ультрахолодных атомов не сообщалось. Теперь физики из Австрии, Бельгии, Германии, США и Франции под руководством Маркуса Грейнера (Markus Greiner) из Гарвардского университета смогли создать дробные холловские состояния в системе двух ультрахолодных атомов рубидия-87. Для этого исследователи размещали атомы в квадратной оптической решетке (на пересечении двух лазерных лучей) размером в четыре ячейки с каждой стороны, и на протяжении эксперимента контролировали их положение (с разрешением в одну ячейку) с помощью флуоресцентных изображений. Первоначально атомы находились соседних краевых ячейках решетки. Затем авторы, контролируя параметры ячейки, по очереди адиабатически медленно создавали туннелирование по каждой из осей решетки, симулируя тем самым поведение заряженных частиц в сильном магнитном поле. В результате пара атомов рубидия переходила в коллективное состояние, которое физики фиксировали и после анализировали сходство с состояниями дробного холловского типа по свойствам получившегося пространственного распределения плотности и зависимости этих свойств от величины эффективного магнитного поля. В результате авторы обнаружили в итоговых состояниях все ключевые характеристики дробных холловских состояний. Во-первых, удалось зарегистрировать подавление двухчастичного взаимодействия: начиная с критических значений магнитного потока (при переходе к коллективному состоянию) в несколько раз (по сравнению с обычным состоянием) снижалась вероятность наблюдать оба атома в одной и той же ячейке решетки. Во-вторых, эффективная холловская проводимость приняла дробное значение — этот параметр исследователи оценивали через производную средней плотности атомов в центральных четырех ячейках по величине эффективного магнитного потока. Наконец, в-третьих, при надкритической величине эффективного поля кратно возрастали значения (анти)корреляции плотности по всей оптической решетке, что свидетельствует о переходе к зависимому, коллективному поведению системы. При этом сходство оказалось не только качественным, но и количественным: измеренные величины совпали с теоретическим прогнозом для дробного холловского состояния в пределах погрешности, что позволяет заявить о надежной регистрации этого состояния в системе ультрахолодных атомов. Кроме того, чтобы оценить качество адиабатической подготовки коллективного состояния из исходного, в части опытов физики вместо фиксации результата проделывали подготовку в обратной последовательности, от конечного состояния к начальному. Вероятность обнаружить в этом «новым начальном» состоянии исходное начальное исследователи использовали как количественную оценку адиабатичности своих манипуляций: эта величина составила около 43 процентов. По словам авторов, экспериментальный результат является первым шагом в освоении контролируемых манипуляций с сильно скоррелированными состояниями ультрахолодных атомов и в будущем может оказаться практически полезным для квантовых технологий. Ранее мы рассказывали о том, как орбитальное движение атомов повлияло на формирование ультрахолодных димеров в оптических решетках и о том, как свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов.